電池管理系統 (BMS) 旨在控制負載環境、監測電池充電狀態 (State of Charge, SOC)，防止過度充電和電壓波動而損壞電路；雖然應用回路只是整個供電系統的一部分，但若前端電池組的浪涌電流 (inrush current) 未經處理，恐會燒毀后端動力單元的高壓金屬氧化物半導體場效晶體管 (MOSFET)。有別于鉛酸電池加水即可復原，鋰電池還需＂過放＂保護，否則整組電池可能就此作廢；錫安市場研究 (zion market research) 報告顯示，2016年 全球 BMS 市值約 22.6 億美元，預估 2017～2024 年復合成長率 (CAGR) 約 21.2%，屆時終值將超過百億美元。
圖1:錫安市場研究 (zion market research) 預估全球BMS 市場2017～2024年復合成長率(CAGR)達21.2%
資料來源:https://www.zionmarketresearch.com/report/battery-management-systems-market
鋰電池慎防過充、遇熱易燃
BMS 主要成長動能來自于電動車／電動自行車和便攜式設備，電池驅動的大眾交通需求增加亦將推升BMS 銷售，而物聯網(IoT)、數字化和云計算亦對各種不斷電系統 (UPS) 有推波助瀾之功。就區域觀察，北美位居全球BMS領導地位，2017年市占率約有35%，日本、印度和中國是亞太地區先驅;受惠于安全法規的落實，中國、巴西和印度等經濟體預料增幅顯著。拉丁美洲的有限采用率亦是業界關注焦點之一，與此同時，缺乏能源汽車基礎設施和政策的發展中經濟體，可能對市場產生負面沖擊。
BMS 主要成長動能來自于電動車／電動自行車和便攜式設備，電池驅動的大眾交通需求增加亦將推升BMS 銷售，而物聯網(IoT)、數字化和云計算亦對各種不斷電系統 (UPS) 有推波助瀾之功。就區域觀察，北美位居全球BMS領導地位，2017年市占率約有35%，日本、印度和中國是亞太地區先驅;受惠于安全法規的落實，中國、巴西和印度等經濟體預料增幅顯著。拉丁美洲的有限采用率亦是業界關注焦點之一，與此同時，缺乏能源汽車基礎設施和政策的發展中經濟體，可能對市場產生負面沖擊。
鋰電池因重量輕、能量和功率密度高、待機損耗低，是BMS主體且CAGR 料將持續上揚。本刊2016.11【專題報道】《設計安全電源，靠＂量測＂問診》曾探討過：單串鋰電池的正常工作電壓約在3.2～4.2V，當游移在正、負電極間的離子遇上易燃的電解液，一旦過充、過熱易引發爆炸。羅姆半導體 (Rohm) 即表明，鋰電池須將溫度控制在0～60℃，以免電池升溫將電解液蒸發成氣體，導致局部壓力遽增、電池膨脹而燒毀隔離膜；遇零下冰點，則有結晶刺穿的危險。
便攜設備偏好＂分布式＂拓撲，編程添靈活
從電路型態分析，BMS有分布式、集中式和模塊化三種拓撲：分布式乃在每個單電池(Cell) 皆安裝通訊控制板；集中式是以單一控制器、藉通訊線路管理每個單電池；模塊化是部署多個控制器，每個控制器負責處理一定數量的單電池。據統計，隨著個人移動裝置(PMD) 普及，鋰電池所引引發的火災事故履見不鮮，2017年的年增率更高達 52%。新加坡國立大學能源研究與技術中心直言，多數智慧手機只有單串電池，但PMD 電池組可包含多達35串電池，基于安全起見，采用每個充電電池皆配備一個BMS 的＂分布式＂拓撲，可防止過度充電。
從電路型態分析，BMS有分布式、集中式和模塊化三種拓撲：分布式乃在每個單電池(Cell) 皆安裝通訊控制板；集中式是以單一控制器、藉通訊線路管理每個單電池；模塊化是部署多個控制器，每個控制器負責處理一定數量的單電池。據統計，隨著個人移動裝置(PMD) 普及，鋰電池所引引發的火災事故履見不鮮，2017年的年增率更高達 52%。新加坡國立大學能源研究與技術中心直言，多數智慧手機只有單串電池，但PMD 電池組可包含多達35串電池，基于安全起見，采用每個充電電池皆配備一個BMS 的＂分布式＂拓撲，可防止過度充電。
圖2：分布式電池管理系統 (Distributed BMS)
資料來源：By H fiyouz - Own work, CC BY-SA 4.0, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=48682958
若系統商經由應用程序編程接口(API) 與主機連接、實時提供電池健康狀況信息，用戶便可了解在當前情境下，該如何調整作業方式或更換電池的時間點，以免設備損壞或意外降載而有礙正常運作。然須留意的是，劣質和非原裝電池多缺乏良好的BMS、且無法停止充電，將大幅提升釀災可能性；而經過認證的充電器會為電池提供正確的額定電流，是安全的第一道防線。作為BMS 智能核心，可用于故障檢測、診斷服務、監控電池SOC、健康狀況及性能的嵌入式軟件，亦將呈現高成長。
意法半導體(ST)的STBC02 / STBC03 電池充電管理芯片，整合了線性電池充電器、150mA低靜態線性穩壓器(LDO)、兩個單軸雙切(SPDT，又稱＂單刀雙擲＂) 開關和電池保護電路模塊，以恒流／恒壓(CC / CV) 算法為電池充電，快速充電和預充電電流可借助專用電阻器獨立編程，電池浮動電壓值亦可編程，有效為穿戴和 IoT裝置縮減應用成本、板面積和設計時間。上述兩款器件均設有充電器啟用輸入，可隨時停止充電；萬一輸入引腳未連接到有效電源，將切換至電池模式、由連接的電池自動供電。STBC02 并具數字單線接口和智能重置／看門狗功能。
高功率動力傾向＂模塊化＂架構，擴展更容易
雖然現今＂分布式＂市占最大，但以高效率和高可用性取勝的＂模塊化＂架構漸獲工業UPS、電動車／油電混合車(EV / HEV)、無人機和儲能系統(ESS) 等高功率BMS 認同，用以管理一系列配置和電壓。凌力爾特(Linear Technology，現并入亞德諾ADI旗下) 于2015年所發布的LTC6811 電池組監測器，可測量多達12串電池、堆棧架構能支持數百串電池就曾名噪一時；能個別控制脈寬調變(PWM) 的占空比(Duty Cycle)，并直接以電池組或隔離式電源供電對每串電池的電荷做無源均衡，最大特點是誤差僅 1.2mV，且可在290μs 內完成系統中所有電池的測量。
雖然現今＂分布式＂市占最大，但以高效率和高可用性取勝的＂模塊化＂架構漸獲工業UPS、電動車／油電混合車(EV / HEV)、無人機和儲能系統(ESS) 等高功率BMS 認同，用以管理一系列配置和電壓。凌力爾特(Linear Technology，現并入亞德諾ADI旗下) 于2015年所發布的LTC6811 電池組監測器，可測量多達12串電池、堆棧架構能支持數百串電池就曾名噪一時；能個別控制脈寬調變(PWM) 的占空比(Duty Cycle)，并直接以電池組或隔離式電源供電對每串電池的電荷做無源均衡，最大特點是誤差僅 1.2mV，且可在290μs 內完成系統中所有電池的測量。
每個LTC6811 有一個 isoSPI 界面，用于實現高速、抗射頻(RF) 干擾的遠程通信，有兩個版本——LTC6811-1 是將多個器件以菊鏈連接，且只要一根主處理器接線；LTC6811-2 是將多個器件并聯連接至主處理器，對每個器件進行個別尋址。瑞薩電子(Renesas) 近期為工業設備(包括電動工具、電動自行車／電動馬達自行車) 所使用的鋰電池，首推兩種新型電池管理IC 解決方案——RAJ240090 / RAJ240100，最多可支持10 串電池、50V 電壓與超低功耗模式，電流消耗可低至 25μA，即使系統斷電、電池監控功能仍可繼續工作。
兩者皆集成 RL78 MCU，將剩余容量測量和過壓／過流安全監控功能整合到一個封裝中，模數轉換器(ADC) 和 MCU已經過匹配和調整。除了內建安全功能并提供設計工具，還包括工業應用所需電源、場效晶體管(FET) 驅動器和實時頻率等外設，可簡化BMS設計。另一方面，＂電池間的均衡＂——單電池均等充電、使電池組中各個電池達到平衡一致，是業界正致力研究的一項BMS 關鍵技術，期能降低成本，并提高汽車、航空航天等大型動力系統和電網儲能應用的效率，傳統上有有源(active) 與無源(passive) 兩種。
高轉換效率＋低待機功耗之外，＂有源式電池均衡＂受矚目
微芯科技 (Microchip) 指出便攜式應用為維持電池壽命，須同時滿足高轉換效率和低待機功耗——電池組需要降壓 (Buck) 轉換，單電池通常需要升壓 (Boost) 轉換，以利于電池放電時保持一致的電力水平；部分產品需要針對控制器、傳感器或 RF 訊號處理做額定電壓調整，部分電路需要針對背光或電池充電調整額定電流。對于廣泛的輸入電壓范圍和高輸出電流應用，＂交換式電源轉換器＂較線性穩壓器更可顯著提高效率，進而延長便攜式應用的電池使用時間，而降壓轉換器用于調整永遠低于輸入電壓的輸出電壓。
微芯科技 (Microchip) 指出便攜式應用為維持電池壽命，須同時滿足高轉換效率和低待機功耗——電池組需要降壓 (Buck) 轉換，單電池通常需要升壓 (Boost) 轉換，以利于電池放電時保持一致的電力水平；部分產品需要針對控制器、傳感器或 RF 訊號處理做額定電壓調整，部分電路需要針對背光或電池充電調整額定電流。對于廣泛的輸入電壓范圍和高輸出電流應用，＂交換式電源轉換器＂較線性穩壓器更可顯著提高效率，進而延長便攜式應用的電池使用時間，而降壓轉換器用于調整永遠低于輸入電壓的輸出電壓。
圖4：Microchip 提供多種小封裝尺寸、高效率、低待機功耗、高準確度且多功能的 BMS 解決方案，因應便攜式電源轉換挑戰
使用＂電感／電容＂存儲能量，可使降壓轉換器的效率達 90%、甚至 95% 以上。Microchip 提供多種降壓轉換器和 PWM 控制器：轉換器整合功率型 MOSFET 開關，可提供一定的電流輸出，而控制器是依賴外部功率型 MOSFET 及高速二極管來切換轉換器的電流。Microchip 說明，同步型轉換器依靠兩個 MOSFET 同時運作控制電流方向，異步型轉換器是以高速飛輪功率二極管取代其中一個 MOSFET；同步型轉換器可為低輸出電壓 (尤其是低于3.3V時) 提供更高的效率，而異步型轉換器適用于較高的輸出電壓。
德州儀器 (TI) 近期則率先整合最新汽車電池管理監視器和保護器 bq76PL455A-Q1 與雙向 DC-DC 電池均衡器，推出全球首款 16 通道有源電池均衡參考設計 TIDA-00817，為大容量電池組提供高性能電池管理解決方案，允許 16 串電池輸入之任何一個按需充、放電，有 2～5A 的電流值余裕，且完全隔離傳輸到外部 12V 電源／電池，模塊可被堆棧達 1300V。不可諱言，現階段由于有源均衡器的單元成本仍居高不下，意味著擁有逾千個 Cell 的大型電池組的成本動輒上看＂5位數＂美元！因此，無源均衡器即使損耗高，但仍是目前主流。
圖5：電動車 BMS 提供充電狀態 (SOC) 與電池健康狀態信息，包括：充放電控制、電池單元均衡、無源／有源保護
資料來源：https://training.ti.com/demonstration-16-channel-active-cell-balance-solution
折衷方案異軍突起，＂雙電平均衡器＂投石問路
一言以蔽之，BMS 功能包括：檢測電量、電路保護、電池均衡等，若 BMS 讀數不精確，也會牽動電池充電速率和儲能系統效率。特別一提，近來開始出現兼采有源、無源之長，利用＂雙電平均衡器＂(bi-level equalizer) 平衡電池組中的電壓與無源電路，此專利技術能的亮點在于：為弱電池提升電量，而非迫使＂有能者＂犧牲小我、拉低自身水平，以成全其他電池達成均質性；更重要的是，其能量消耗僅約無源均衡器的 1/4、且成本不高，可提高電量或縮短電網儲能系統的充電時間，現已授權電池管理系統制造商、以及電池組和車輛制造商。
一言以蔽之，BMS 功能包括：檢測電量、電路保護、電池均衡等，若 BMS 讀數不精確，也會牽動電池充電速率和儲能系統效率。特別一提，近來開始出現兼采有源、無源之長，利用＂雙電平均衡器＂(bi-level equalizer) 平衡電池組中的電壓與無源電路，此專利技術能的亮點在于：為弱電池提升電量，而非迫使＂有能者＂犧牲小我、拉低自身水平，以成全其他電池達成均質性；更重要的是，其能量消耗僅約無源均衡器的 1/4、且成本不高，可提高電量或縮短電網儲能系統的充電時間，現已授權電池管理系統制造商、以及電池組和車輛制造商。
美國托萊多大學 (University of Toledo) 的研究人員已開發一組包括 MCU 和連接硬件的改裝套件，可將現有 BMS 轉換為雙電平，改善固有有源／無源均衡缺點以延長電池組壽命 (參照本期《＂庫侖計數＂獨立芯片精準解析瞬間電量沖擊》一文)。此外，羅姆半導體表示，電池外形與制作工藝也會左右均衡：理論上圓形較佳，有利于電解作用、釋放電能且利于散熱；而工藝是全自動生產或須輔以手工涂布，皆會影響成品一致性。當電子應用越來越廣、電池串數越來越多，而能源卻越發珍貴，BMS 的發展腳步日益動見觀瞻。
