電池組是電動工具、踏板車和電動汽車 (EV) 等電池供電產品中最昂貴的組件之一。電池組性能極大地影響了電動汽車的車輛級關心，包括續航里程、電池組使用壽命和充電時間，更不用說車輛的安全性和可靠性。因此，電池管理成為深入研究和持續開發工作的主題也就不足為奇了。

　　從車輛系統的角度來看，電池組的關鍵性能指標 (KPI) 包括直流鏈路電壓、能量密度、比功率和電池預期壽命等參數。到目前為止，鋰離子(Li-ion)電池提供了良好的效果;然而，鋰離子化學對汽車電子設備的電池組“保養和供電”造成了相當大的負擔。

　　鋰離子電池的使用要求電池管理單元 (BMU) 在共模電壓超過數百伏的嘈雜電氣環境中“突破”測量精度的極限。除了監控電池的電壓和溫度之外，BMU 還必須執行電池平衡和庫侖計數等關鍵功能，同時確保整個電池組在符合嚴格的 ISO 26262 功能安全要求的安全工作范圍內工作。

　　為什么是鋰離子電池?

　　能量密度 (Wh/l) 和比功率 (Energy/kg) 是 EV 電池設計的兩個主要品質因數。這些品質因數由幾個車輛級性能參數驅動;也許最重要的是每次充電的范圍。為了優化每次充電的續航里程，能量存儲必須緊湊且輕便。

　　能量密度越高，車內可輸送的能量容量越大;由于更高的比功率，再加上更輕的有效載荷，可以增加車輛的續航里程。除了影響車輛續航里程外，電池組的緊湊性還為其他關鍵 EV 系統留出了空間，例如車載充電器和將電能轉化為運動的牽引驅動裝置。這使得在多個 EV 平臺上流行的所謂“滑板”配置成為可能。

　　我們比較了幾種常見的電池技術。目前，鋰離子是明確的選擇，它的使用在當今的汽車電氣化中很普遍。盡管如此，鋰離子電池也有缺點。充電很挑剔，很難衡量鋰離子電池組的充電狀態。

　　鋰離子電池可能很棘手，正如懸浮滑板等消費產品的熱失控問題所證明的那樣。最后，鋰離子是一項昂貴的技術，不僅因為構成電池的特殊材料，還因為為了優化性能和安全性而必須存在的電池和熱管理系統的復雜性。

　　鋰離子特性

　　我們來描繪了典型鋰離子電池的充電和放電特性。一旦電池在充電過程中(甚至在放電時)達到飽和狀態，電池電壓在大部分操作范圍內幾乎保持恒定。平坦的放電曲線使其成為電動汽車的有吸引力的能源，因為電池在很寬的運行范圍內提供幾乎恒定的能量。

　　然而，這一特性以及其他內在品質給電池管理帶來了挑戰。更重要的是，電池特性在很大程度上決定了車輛的續航里程、電池使用壽命、安全性和車輛的可用性。例如，需要知道用戶在充電前可以走多遠。

　　不同的材料構成陽極/陰極，這會影響電池特性。例如，鋰離子電池充電至 3.8 V 至 4.2 V，容差約為 ±50 mV，具體取決于所采用的陽極/陰極材料。當充電電流低于電池額定電流的 3% 時，電池被認為已充滿電。雖然提高充電電流不會影響總充電時間，但它可以加速時間達到約 70% 容量的平臺期。

　　事實上，將電池充電到低于 100% 的電量對于延長使用壽命是可取的，因為鋰離子電池無法接受過度充電而不會造成電池損壞和/或安全性受損。因此，系統設計人員必須權衡范圍/充電、電池使用壽命、安全性和充電時間等參數。

　　還有其他挑戰和細微差別需要考慮。電池以陣列形式連接——串聯和并聯組合以增加電壓和容量——這使管理過度充電或充電不足的問題變得復雜。BMU 實施“電池平衡”以確保電池組中的所有電池(串聯連接的多個電池)實際上處于相同的充電水平。

　　出于多種原因，監測電池溫度也很重要。充電過程中溫度顯著升高表明存在故障。此外，鋰離子電池在低溫(例如冷凍)下不能很好地充電。在這種情況下，BMU 可以加熱電池進行補償。

　　最后，即使充電和放電受到嚴格控制，電池的容量也會隨著時間的推移而下降，因為它經歷了許多充電和放電循環。電動汽車可以通過傳達車輛剩余的里程而不是電池容量或充電狀態來彌補這一點。一輛全新的汽車可能充電到 70%，放電到 30%。隨著電池組老化和容量減少，BMU 可以擴大充電和放電窗口，以使車輛在車輛的使用壽命內保持其“完全充電”行駛范圍。

　　電池單元管理

　　汽車 EV/混合動力電動汽車 (HEV) 電池包含數百個串聯和并聯的鋰離子電池，從已經討論的挑戰中可以清楚地看出，只有通過適當的電池管理才能維持安全和壽命優化的操作。必須單獨診斷和平衡串聯中的每個單元。

　　如果目標是優化車輛級 KPI，則信號路徑必須提供估計充電狀態所需的精度。具體而言，由于電池的充電/放電曲線的平坦度，電池電壓和電池組電流的測量精度至關重要。此外，電池管理解決方案有時會結合庫侖計數——測量進出電池組的安培秒流量——作為交叉檢查以估計整個堆棧的充電狀態。