電池管理系統（BMS）可以迅速可靠地偵測出充電狀態（SoC）、健康狀態（SoH）以及功能狀態（SoF），以提供必要的資訊。因此，BMS能有效地減少汽車因無法預見的電池問題而故障的次數，增加電池壽命與效益，並降低二氧化碳排放量。BMS的關鍵在於智慧型電池感應器（IBS），它可以測量電池端點電壓、電流及溫度，並據以計算出電池狀態。

本文將說明如何以最新的演算法實做BMS，計算出SoC、SoH和SoF，以及有效地在鉛酸電池上的應用。

介紹

傳統上，汽車的充電狀態是一個謎，因此常常導致汽車故障。根據汽車的壽命，因電池而造成的故障率可上升至10000ppm。

另一個對於電池雪上加霜的問題，是在增加電力能源及動力的同時，還必須設法降低二氧化碳排放量。

由於電子化佔了汽車新功能的絕大部分，因此勢必要增加能源供應，才能應付各種新功能，像是舒適性、電氣化的安全相關功能、油電混合車、駕駛輔助及資訊娛樂等等。但在另一面，法規又要求要降低二氧化碳排放及耗油量。

因此，我們需要先進的能源管理系統來管理這些彼此對立的需求。系統必須確保在各種操作狀況下，電池都能提供充足的能源以驅動引擎，而電池也可作為被動式電源，例如支援智慧型交流發電機及往復式啟動系統等等。

能源管理系統

典型用於支援往復式啟動系統的電力網路，包括一組車體控制模組（BCM）、一組電池管理系統（BMS）、一具發電機及直流對直流轉換器（參見圖1）。

BMS會將電池狀態提供給BCM，後者再以特定演算法控制發電機和直流轉換器，以穩定控制電力網路。直流轉換器會將電力分送至車內各個需要用電的部份。

《圖一　典型往復式啟動系統所使用的電力網路範例》

典型的鉛酸電池BMS都是直接附掛在電池架上的智慧型接頭裡面。接頭本身包括一具低歐姆數的分流電阻（通常是100uOhm左右），一組內含高度整合元件、能夠精確測量及處理的小型電路板，稱為智慧型電池感應器（IBS，參見圖2）。即使在惡劣環境下，IBS也能以高解析度精確測量出電池電壓、電流及溫度，始終準確預測電池的健康狀態（SoH）、充電狀態（SoC）、以及功能狀態（SoF）。這些參數會透過經驗証的車內網路，定期或視需求傳送給BCM。

《圖二　典型的鉛酸電池用智慧型電池感應器》

除了上述的功能及參數功能以外，IBS還有其他關鍵需求，就是自身功率損耗要低，能確保在車內惡劣環境（例如EMC、ESD）內運作、汽車代工廠商的車內通訊介面（例如LIN）一致性測試、汽車級測試限制（測試參數受六標準差限制）、以及AEC-Q100品管條件等限制之下，還能持續運作。

電池監控

如上一節所述，IBS最主要的目的在於監視電池狀態，並將狀態變數傳遞給BCM，必要時也供其它的ECU使用。監控電池時的輸入值為電池電流、電池電壓及溫度的取樣值。輸出則為SoC、SoH和SoF。

充電狀態

SoC的定義相當直覺化，通常是以百分比來表示。一個完全充飽電池的SoC就是100%，電量放盡時的SoC當然就是0%。SoC會隨著電池充電或放電時而變動。

計算SoC時，有兩種廣受歡迎的方法：庫侖計算法，又稱為電流累積或安培-小時平衡法，以及開迴路電壓（OCV）測量法。由於電流累加及α值的關係，因電池狀態變動所造成的誤差、以及電流測量與量化時的誤差都會日益上升。因此通常會透過另一種方法取得電流累加的起始值參數Q（t0），以便改善準確度：也就是OCV方法。OCV代表當沒有任何用戶端居間消耗電池電流時，電池兩極之間的電壓值。

鉛酸電池的OCV和SoC之間有很好的線性比關係。因此只要能量到OCV，就可以直接計算出SoC。兩者間的精確因數是可以具體化的。

OCV唯一的缺點，是它只能在車輛停泊靜止時測得，例如（幾乎）所有耗電的部分都關閉時，或是在汽車已經熄火數十分鐘甚至數小時的時候測得。

因此，OCV方法適合用來經常校正庫侖計算法，而後者則是持續執行。這種組合可以較精準地算出SoC，而且還可以透過長時間停車時的自我放電率進一步修正SoC。

健康狀態

鉛酸電池有各種老化效應，對於電池的影響也各有不同。由於只靠IBS很難偵測及量化這些效應，因此SoH往往不會透過直接評估老化效應來計算。相反地，通常是透過容量隨時間降低的速率來估算，而這一點也屬常見的老化現象之一。第二個與電池老化也很有關係的重要參數，就是驅動效能；但這一點通常以SoF顯示，代表驅動量。

另一個可以判斷SoH的方法，是追蹤充電與放電循環次數，並拿來與電池製造商提供的循環次數規格做比較。通常廠商會有一個給定剩餘量與給定溫度下的充放電循環次數，例如剩餘量25%與攝氏27度時為500次。將所有的次數與這些數字做比較，再套用溫度及SoC等修正因數，就可以達到上述的Caged追蹤效果。而修正因數必須透過對電池特性描述而產生。

然而，這兩種方式通常會合併使用，再配合其它與電池壽命息息相關的數種參數所導出的專屬演算法。這些電池參數多半經由實驗室中對電池進行廣泛特性測試而得，且只適用於特定型號電池。

功能狀態（SoF）

鉛酸電池的重要功能之一，就是要發動汽車引擎。因此BMS有一項重要的作業，它必須預測在實際狀況下能否發動引擎。這種發動預測性質通常會以SoF參數表示。

除了「傳統的」停車後發動之外，由於微型油電混合車輛引進了往復式發動系統，使得發動引擎的預測變得更形重要。BMS必須判斷並告知BCM，熄火後是否還可以再次發動引擎、甚至還要據此預測是否可以放心熄火。

要得出SoF，辦法之一就是分析最近引擎的發動紀錄、電池內剩餘的電荷量（SoC和SoH的函數）、以及實際的溫度。發動時，必須紀錄電池內部電阻（Ri） （可由電池兩端電位差及電流計算而得）。由於Ri通常十分穩定，只有在電池壽命將盡時才會突增，因此Ri的平均值必須低於一定的門檻值，才可確保引擎能夠發動。電池老化的另一個現象是，發動階段時以取樣電壓及電流計算出來的Ri值會呈現非線性，也就是同樣的電壓取樣卻會對應不同的電流值。新電池的Ri則會呈現線性。

Ri （以電壓差和電流計算而得）、電池剩餘電荷量、再加上實際溫度，就可以準確指出發動能力為若干。還有，必須透過電池特性測試以決定門檻值。為了要精確地判斷Ri的線性及非線性行為，所有發動時的電壓及電流取樣值都必須經過線性濾波器，而以帶通式線性濾波器為佳。

以經濟的方式應用BMS軟體及硬體

新型車輛最重要的功能之一，就是電氣能源效率，而這要靠BMS來達成。除了管理若干節能功能以外，BMS本身的能源效益也必須良好，因為它是必須常保啟動的系統之一，而且當交流發電機尚未啟動時，它同樣只能倚靠鉛酸電池供電。為了滿足這些要求，IBS的電力損耗必須盡量降低。

低功率模式

低功率模式的實現，是測量功率損耗降低的好辦法。包括關閉不需使用的SoC零件（特別是CPU），而且只有在必要時才啟動正常模式（及所有硬體模組都啟動）。如上所述，低功率模式有兩組，但是其差別僅在於CPU在喚醒後所使用的程式進入點。

不過，即使是在低功率模式下，仍需觀察電池狀態，例如沒有軟體互動時。基本上還是需要追蹤電流值，以便以庫侖計算法計算SoC。如此就能在低功率模式時測量電流及自動加總電流取樣值（例如庫侖計算法）。

IBS必須能夠反應出電池及汽車狀態的變動，譬如說，電池感應器必須要能在各種狀態下甦醒過來。因此低功率模式時的電流和溫度也一樣要測量。電流的變更通常代表汽車狀態有所變動（耗電裝置可能開啟或關閉），溫度的變動會需要校正測量通道參數。電流與溫度取樣值的門檻可以事先指定，一旦超過，便會啟動感應器。以自動化庫侖計數器的門檻值來喚醒感應器也同樣可行。

除了以各種測量參數喚醒感應器以外，也有可以讓BCM或車中其它電子元件來喚醒IBS的功能（透過LIN或直接纜線連結），也有定時喚醒的方式。

上述的低功率模式及喚醒功能，讓IBS大部分時間（通常是70%）都得以在低功率模式下運作，包括當引擎仍在運轉的時候。正常運作時，SoC、SoH和SoF參數都會重新計算。

結論

本文說明了如何以IBS有效使用微型油電混合汽車的BMS。也介紹了先進的電池狀態計算演算法（SoC、SoH和SoF）。文中介紹了如何以特殊硬體功能來改善IBS效率的功率損耗。使用低功率模式及自動電池狀態偵測（無需軟體介入）、還有複雜的喚醒機制也做了說明。因此，IBS可以經常保持在低功率模式。此外，透過正確的硬體訊號處理、可程式化的過濾及簡化的校正方式，證明軟體複雜度的確可以降低。定點運算數學理論也被提及，並證明16位元的定點資料格式已經足供BMS演算法的變數使用，32位元只有必要時才會用到。

（本文作者任職於飛思卡爾半導體）