亨利福特于1903年創(chuàng)建福特汽車公司，在當(dāng)時很少有人買得起汽車。它們制造成本高昂，維修費用昂貴且運行復(fù)雜。在當(dāng)時，汽車仍然是少數(shù)特權(quán)階層的奢侈品。直到，福特巧妙地使用內(nèi)燃機(jī)，新的制造技術(shù)和廉價的維修設(shè)計，才能將奢侈品推向主流，永遠(yuǎn)改變了一般人的交通方式。
在時間經(jīng)過了116年后，今天的人們又面臨了相同的問題。隨著油價飆升，資源萎縮和環(huán)境壓力的不斷增加，世界各地的政府和民眾正在尋求更好、更清潔、更有效的汽油替代品，這一點不足為奇。目前許多歐洲國家都已經(jīng)開始推動甚至已經(jīng)立法禁止銷售新的非電動汽車。這使電動汽車（EV）行業(yè)成為今日最令人興奮的領(lǐng)域之一。
2019年電動車市場發(fā)展
但就像回到一個多世紀(jì)以前的那些早期汽車一樣，為大眾市場生產(chǎn)電動汽車帶來了一大堆挑戰(zhàn)。推出內(nèi)燃機(jī)（ICE）的可行替代品并不容易。技術(shù)的突破不斷開啟了新的可能性。但是，將這些突破轉(zhuǎn)化為電機(jī)、控制技術(shù)和電池，改進(jìn)和完善的模型，以及鼓勵消費者廣泛采用，將需要更多的時間。
我們可以先來觀察2019年的電動車市場會有什么變化。在今年，預(yù)期電動汽車的電池尺寸將越來越小。雖然具有更大電池和更長行駛距離的電動汽車帶來更大的行動便利性，但針對城市駕駛的小型電池電動汽車市場卻也正在增加當(dāng)中。在未來，隨著充電點數(shù)量的增加，行駛距離更短的城市EV將更為普遍。
此外，政府也一直在補貼電動汽車銷售價格以刺激市場。而消費者也期待加油站成為電力供應(yīng)站，例如在汽油加油機(jī)附近安裝快速充電樁。這也意味著他們必須為駕駛員在充電期間提供一些娛樂，無論是喝咖啡、看電視還是購物等。
而在2019年，還將對電動車充電器進(jìn)行更嚴(yán)格的管理，并讓充電器提供更高質(zhì)量的電力和更安全的功能標(biāo)準(zhǔn)。最終將要求充電器允許負(fù)載控制，確保電網(wǎng)能夠滿足充電的高需求。而隨著電池價格的下降，更高的產(chǎn)量和更高的能量密度，也提供了更安全與更長久的駕馭距離。
為什么需要電池管理系統(tǒng)（BMS）？
鋰離子電池因其高電荷密度和較低的重量，而被證明是電動汽車制造商感興趣的電池。鋰離子電池的特性是尺寸很大，而性質(zhì)上也較為不穩(wěn)定。非常重要的是，在任何需要監(jiān)控其電壓和電流的情況下，這些電池不應(yīng)發(fā)生過充電或放電不足的狀況。只是這個過程最困難的地方在于，透過很多電池組合在一起形成的EV電池組，每個電池都必須單獨監(jiān)控其安全性并確保其高效運行，這就需要一個特殊的專用系統(tǒng)，稱為電池管理系統(tǒng)（BMS）。
同樣的，為了從電池組獲得最大電源效率，我們應(yīng)該在相同的電壓下，同時對所有電池完全充電和放電，而這就再次需要透過BMS。此外，BMS還將肩負(fù)起許多其他的功能。
BMS設(shè)計考慮因素
在設(shè)計BMS時需要考慮很多因素。完整的考慮因素取決于使用BMS時，確切的最終應(yīng)用。除了EV的BMS之外，還可以應(yīng)用在任何采用鋰電池組的地方，例如太陽能電池板陣列、風(fēng)車、電力墻等。無論應(yīng)用為何，BMS設(shè)計都應(yīng)考慮一些重要因素。
放電控制
BMS的主要功能是將鋰電池維持在安全工作電壓內(nèi)。例如，典型的18650鋰電池的欠壓額定值約為3V。BMS有責(zé)任確保電池組中的所有電池都不會在3V以下放電。
充電控制
除了放電，充電過程也應(yīng)由BMS監(jiān)控。大多數(shù)電池在充電不當(dāng)時，往往會受到損壞或壽命縮短。對于鋰電池充電器所使用的充電器來說分為兩級，第一級被稱為恒流（CC） ，在此期間充電器輸出恒定電流對電池進(jìn)行充電。當(dāng)電池接近滿時，第二級稱為恒壓（CV）階段，在該階段期間以非常低的電流向電池提供恒定電壓。BMS應(yīng)確保充電期間的電壓和電流不超過可滲透限制，以免電池過充或快速充電。一般來說，最大允許充電電壓和充電電流，都可在電池的數(shù)據(jù)表中找到。
充電狀態(tài)
這是EV的燃料指標(biāo)，它實際上告訴我們電池組的電池容量百分比。就像我們手機(jī)里的一樣。但它并不像聽起來那么容易。系統(tǒng)需隨時監(jiān)控電池組的電壓和充放電電流，以預(yù)測電池的容量。一旦測量到電壓和電流，就會有很多算法可用于計算電池組的容量。最常用的方法如庫侖計數(shù)法。
健康狀況
電池健康狀態(tài)通常需要知道兩點，一是電池充電狀況（SOC），這表示目前電池的充電比率，完全充飽的電池的充電狀況為100%。在電池使用后或是長時間放置后都會造成電池的開路電壓下降，因此充電狀況的百分比數(shù)值也會跟著下降。此外，電池健康狀況（SOH）則是衡量電池的起使電流輸出能力的指標(biāo)，全新的電池可以達(dá)到100%的SOH電池健康狀況。
電池的容量不僅取決于其電壓和電流曲線，還取決于其年齡和工作溫度。SOH測量根據(jù)其使用歷史，可告訴我們電池的使用年限和預(yù)期壽命周期。通過這種方式，我們可以知道EV的里程數(shù)（完全充電后覆蓋的距離）會隨著電池老化而減少多少，并且我們也可以知道何時應(yīng)該更換電池組。
電池平衡
BMS的另一個重要功能是維持電池間的平衡。例如，在一組串聯(lián)連接的4個電池中，所有四個電池的電壓應(yīng)始終相等。如果一個電池比另一個電池的電壓低或高，它將影響整個電池組，例如一個電池處于3.5V而另外三個電池處于4V。在充電期間，這三個電池將達(dá)到4.2V而另一個電池剛剛達(dá)到3.7V。相同的，該電池將是第一個放電至3V的電池。這樣一來，由于該單電池的狀況不同，電池組中的所有其他電池將不能用于其最大電位，進(jìn)而影響效率。
為了解決這個問題，BMS必須實現(xiàn)一種稱為單元平衡的方法。有許多類型的電池平衡技術(shù)，但常用的是主動與被動型的電池平衡。在被動平衡中，其想法是具有過電壓的電池將透過類似電阻器的負(fù)載強制放電，以達(dá)到其他電池的電壓值。至于主動平衡期間，較強的電池將用于給較弱的電池充電，以使其電位均衡。
熱控制
鋰電池組的壽命和效率有很大程度取決于工作溫度。與正常室溫下相比，電池在炎熱氣候時放電更快。除此之外，高電流的消耗將進(jìn)一步增加溫度。這需要電池組中的熱系統(tǒng)（主要是油）來加以調(diào)控。這種熱系統(tǒng)主要作用在于降低溫度，但如果需要，也應(yīng)該能夠在寒冷氣候下提高溫度。BMS負(fù)責(zé)測量每個電池溫度，并相對應(yīng)地控制熱系統(tǒng)以維持電池組的整體溫度。
更低的系統(tǒng)功耗
即使汽車正在運行中、充電中或處于待機(jī)模式，BMS也應(yīng)處于活動狀態(tài)并持續(xù)運行。這樣的狀況使得BMS電路必須被連續(xù)供電，因此BMS系統(tǒng)必須消耗非常少的功率，才不會耗費太多電力。當(dāng)EV未充電數(shù)周或數(shù)月時，BMS和其他電路往往會自行耗盡電池，最終需要在下次使用前進(jìn)行重新充電。這樣的問題即使在特斯拉這種知名車款上，仍然很常見。
電流隔離
BMS身為電池組和EV的引擎控制器（ECU）之間的橋梁，必須將BMS收集的所有信息發(fā)送到ECU，以顯示在儀表板上或儀表板上。因此，BMS和ECU應(yīng)該透過CAN，或LIN總線等標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議來持續(xù)進(jìn)行通訊。BMS設(shè)計也必須能夠在電池組和ECU之間提供電流隔離。
數(shù)據(jù)記錄
由于BMS必須存儲大量數(shù)據(jù)，因此擁有更大的記憶庫非常重要。只有在知道電池的充電歷史時，才能計算出電池的健康狀態(tài)。因此，BMS必須從安裝之日起，就追蹤電池組的充電周期和充電時間，這將有助于為工程師提供售后服務(wù)或分析EV的充電問題。
精確度
當(dāng)電池充電或放電時，電壓會逐漸增加或減少。不幸的是，鋰電池的放電曲線（電壓對比時間）具有平坦區(qū)域，因此電壓的變化非常小，必須準(zhǔn)確測量此變化。設(shè)計良好的BMS可以具有達(dá)到±0.2mV的精度，最小精度至少需要1～2mV。而通常在此過程中會使用16位元ADC。
結(jié)語
值得注意的是，電動汽車逐漸朝向簡單化設(shè)計，其結(jié)果將能驅(qū)動各不同面向的成本降低，一個明顯的例子就是電池本身。較小的電池意味著更輕的汽車重量，這將使得汽車底盤、制動器、充電技術(shù)、電機(jī)功率等的額外成本獲得節(jié)省。小容量的電動汽車將有助于降低充電技術(shù)的電力耗損，并且更容易平衡充電需求。搭配更有效率的BMS系統(tǒng)，將能讓電動車上路行駛更加安全。