电池老化既是必然，又何必为它费心筹谋？德州仪器 (TI) 半导体营销与应用模拟应用经理林咏进表示，侦测电池健康度是预防电池老化的第一步，只要侦测够准确，就能进一步采取保护措施。例如，设备商一旦评估系统无法承受电压遽降至基础工作电压以下，或会主动减少电池负载；然而，此举若未事先知会使用者，恐导致意外之灾而引发民怨。TI 建议，可利用电力计量 (GAUGE) 诊断电池健康状态，告知消费者何时须更换电池；而 TI 的＂阻抗追踪＂(Impedance Tracking, IT) 算法可估算老化电池内阻增加后的电压突降，是系统开发的好帮手。
照片人物：德州仪器 (TI) 半导体营销与应用模拟应用经理林咏进
＂阻抗追踪＂藉侦测放电洞悉电池健康
＂相较于消费电子产品，储能系统 (ESS) 或大串数系统对于可靠度和安全性有更高的要求，电池使用方式亦随产品功能而异，需要不同 GAUGE 计算＂，林咏进强调。例如，手机需重复充放电循环，但不断电 (UPS) 系统却是一直处于充饱电状态。GAUGE 算法可藉由＂阻抗追踪＂侦测电池放电状况，以计算电池内阻、判断电池的健康程度。通常，手机充／放电往往大于 50% 的充放电总容量，Gauge 算法会经由电池的放电状况计算电池内阻，将它映射到电池在放电时的电压差，就能了解电池的健康程度。
＂相较于消费电子产品，储能系统 (ESS) 或大串数系统对于可靠度和安全性有更高的要求，电池使用方式亦随产品功能而异，需要不同 GAUGE 计算＂，林咏进强调。例如，手机需重复充放电循环，但不断电 (UPS) 系统却是一直处于充饱电状态。GAUGE 算法可藉由＂阻抗追踪＂侦测电池放电状况，以计算电池内阻、判断电池的健康程度。通常，手机充／放电往往大于 50% 的充放电总容量，Gauge 算法会经由电池的放电状况计算电池内阻，将它映射到电池在放电时的电压差，就能了解电池的健康程度。
林咏进阐述，TI 挟着技术优势，可将小串数的 GAUGE (1～7 串) 精准至 +-1mV 的误差范围，表现不俗。此外，UPS 备援系统计量传统上需借助人工放电至趋近 0% 水平，才能取得电池参数、据以判断电池寿命。有鉴于此，TI 特别开发专属的＂不常放电算法＂(Rarely Discharged Algorithm) 来解决这个困扰，允许系统选择性放电 1～2%；只要通过小容量的放电就可计算电池内阻，且在检查电池健康程度之际，仍可一如往常维持备援所需容量，大幅减少人工放电的时间以及放电中 (Learning) 系统遭遇停电的风险。
图1：TI＂服务终止＂(EOS) 算法，可为失去支持备份能力的元器件提出预警，以便在不影响支持备份能力的情况下检测电池老化
资料来源：https://e2e.ti.com/blogs_/archives/b/fullycharged/archive
面对时有耳闻的电动车烧毁事故，电池设计的＂安全可靠＂是第一要务，而 BMS 更肩负以下重任：电池参数收集、健康状态计算、能量管理、温度侦测与管理、保护电路与安全管理、电压均衡管理，以及所有讯息回报功能等。林咏进另就电池芯分析，基于原材料成本、充电速度、循环寿命、环保、工作温度范围等考虑，磷酸锂铁与锂三元是目前较多厂商考虑的材料；其中，＂锂三元＂电池又以高能量密度、高成品率与一致性跻身主流。不过，具有高能量密度优势的固态电池，日后若能克服接口阻抗较大及成本偏高等瓶颈，绝对是电动车电池的明日之星。
＂Coulomb Counting＂不会错过瞬间突波
林咏进直言，无论是对电池的安全监控保护和管理，都是为了提高电池的续航力及使用寿命，并减少成本；与此同时，还须兼顾电池应用的安全和可靠性。探索大串数电池模块 IC 制程的耐压程度，并在宽幅温度区间力求量测精准度，是各家供货商要求的通用规范、也是算法的运算基础；至于如何确保运作可靠性与高效性？正是各家算法的核心技术所在！除了独特专业的算法之外，每个单电池 (Cell) 的 Chem ID (Chemistry ID) 代表＂电池特性＂，包含在高、低温环境下的充放电曲线。
林咏进直言，无论是对电池的安全监控保护和管理，都是为了提高电池的续航力及使用寿命，并减少成本；与此同时，还须兼顾电池应用的安全和可靠性。探索大串数电池模块 IC 制程的耐压程度，并在宽幅温度区间力求量测精准度，是各家供货商要求的通用规范、也是算法的运算基础；至于如何确保运作可靠性与高效性？正是各家算法的核心技术所在！除了独特专业的算法之外，每个单电池 (Cell) 的 Chem ID (Chemistry ID) 代表＂电池特性＂，包含在高、低温环境下的充放电曲线。
＂每一个电池阻跑完 Chem ID 的充放电曲线，不同的电池 (电池种类、电压)，都需扎扎实实地跑过近一个月时间的曲线特性、收集数据，这些庞大的数据库又成了设计上的一大考验＂，林咏进说。另一方面，放电容量的累积、计算若只依靠电流的取样进行估算，恐错过一些突波重载 (System Dynamic Loading)。既有取样作法的最大弱点在于：精准度深受取样率 (Sample Rate) 主宰。假设每 100ms 取样一次，前次取样与下次取样之间若有一个电流突波出现，是无法被计算到的；若想提高精准度就须加快取样率，变成每 50ms 取样一次。
但不管多快的取样率，都可能漏失瞬间突波电流，所以林咏进建议改用＂电流积分＂(Current Integration) 侦测。TI 名为＂Coulomb Counting＂(库仑计数) 的电流侦测技术，是以库仑为单位、每固定时间会回报给 IC 目前已累积多少库仑？意即：不存在取样率问题，不用担心会遗漏任何突波电流。再者，若须串联多个电池，维持电池的电压在充／放电时的均衡显得格外重要，TI 多串数 GAUGE 内置电压均衡电路，可将多余的电容量经由内部金属氧化物半导体场效晶体管 (MOSFET) 开关旁路导通 (bypass)，确保每一串电池的均衡并延长电池寿命。
电池均衡的两大关键技术：电流侦测精准＋均衡电压电路
林咏进指出，TI 在多串数系统已提供电池均衡功能，有针对电压自动均衡的硬件与针对电池本身容量均衡的算法；不仅现有产品已有相关技术，＂电池均衡的效率和速度＂亦是未来新产品规划的要素。他补充，要做到电池间的均衡须同时拥有两大技术：一是电流的侦测要精准，二是有均衡电压的电路 (内建硬件)。TI 的电流侦测技术如前所述，是采用 Coulomb counting，比取样精准，而电压均衡技术是采用内部 MOSFET 导通方式达到每串电池充／放电的均衡；另提供所谓内部／外部无源均衡 (Passive Balancing) 和有源均衡 (Active Balancing)。
林咏进指出，TI 在多串数系统已提供电池均衡功能，有针对电压自动均衡的硬件与针对电池本身容量均衡的算法；不仅现有产品已有相关技术，＂电池均衡的效率和速度＂亦是未来新产品规划的要素。他补充，要做到电池间的均衡须同时拥有两大技术：一是电流的侦测要精准，二是有均衡电压的电路 (内建硬件)。TI 的电流侦测技术如前所述，是采用 Coulomb counting，比取样精准，而电压均衡技术是采用内部 MOSFET 导通方式达到每串电池充／放电的均衡；另提供所谓内部／外部无源均衡 (Passive Balancing) 和有源均衡 (Active Balancing)。
林咏进举例，内部无源均衡就是当 A 电池的电压容量比 B 电池高时，连接到 A 电池的那条电路在 IC 内部的 MOSFET 会导通、并将电流分流，让充入 A 电池的电流减少，维持 A、B 电池的均衡。整体而言，以 BMS 实现智慧电源有以下必备条件或检核准则：
1. 高质量的电池芯；
2. 电池健康程度的监控：高精度的 GAUGE 算法、精准的电流侦测技术、量身订做的 Clem ID、充／放电电压均衡技术……；
3. 保护机制的安全性与可靠度；
4. 高整合度的用户接口 (UI)。
1. 高质量的电池芯；
2. 电池健康程度的监控：高精度的 GAUGE 算法、精准的电流侦测技术、量身订做的 Clem ID、充／放电电压均衡技术……；
3. 保护机制的安全性与可靠度；
4. 高整合度的用户接口 (UI)。
最后谈到无线充电议题，林咏进认为不管是Qi 或 AirFuel 阵营，未来如果想要让使用者广泛运用、进而变成充电的主要途径，充电速度须大幅提升。现今使用者远较过去更为依赖手机，一天充电两、三次实属平常，甚至每天都要携带行动电源出门，消费者亟需快速充电功能；因此，提高无线充电的效率和瓦数是重要一环。值得关注的是，向来拥有广大用户支持的 Apple，一度传出有意另创无线充电独规的说法；对此，林咏进回应：只要能满足快速与高效的前提、让使用者买单，也非不可能。
