通過BMS解決方案提高電池壽命和安全性

電池管理系統(tǒng) (BMS) 專注于電池。BMS 任務包括電壓和電流控制、熱管理解決方案、防火和網(wǎng)絡安全。在本文中，我們將解釋與電池相關的主要風險以及 BMS 可以克服這些風險的方法。

BMS 電池保護

可充電電池是 BMS 的基石。該組件相當復雜和敏感，需要注意和小心處理。BMS 可以做到這一點。它的所有功能都旨在在盡可能長的時間內(nèi)充分利用電池。

因此，通過檢查充電狀態(tài)和健康狀態(tài)，BMS 可以延長電池壽命和性能。通過估計電池組內(nèi)的能量狀態(tài)和功率狀態(tài)以及平衡電池，它可以利用電池的全部潛力，從而利用您的電池儲能系統(tǒng) (BESS)。

根據(jù)成分的不同，電池可能對不穩(wěn)定的環(huán)境相當敏感（詳細了解 BESS 中使用的電池技術）。超過限制對電池來說可能是至關重要的，并可能導致其脫落和過早死亡。

此外，電池的擠壓可能會對其用戶造成傷害。例如，鋰基電池在某些情況下因其易燃性和爆炸性而臭名昭著。

配備齊全的 BMS 可以預測潛在危險并保護電池和用戶。完善的 BMS 具有防止短路、接地故障和熱失控的電池安全系統(tǒng)。因此，BMS 安全系統(tǒng)可提供安全的數(shù)據(jù)傳輸并保護您的電池存儲系統(tǒng)免受未經(jīng)批準的使用。

BMS 系統(tǒng)（來源：Integra Sources）

具有實時操作系統(tǒng)的 BMS 可立即對所有更改或威脅做出反應，因此有助于避免過早更換電池和昂貴的維修。

在本文中，我們特別關注 BESS 中最受歡迎的鋰離子 (Li-ion) 電池。這種類型的電池需要小心處理，因為它對極端溫度、過度充電和持續(xù)缺乏充電很敏感。BMS 可以提供這樣的治療。

電壓和電流控制

為了控制電池的電流和電壓，您必須在充電時提供過流和過壓保護，并在電池放電時避免欠壓。

挑戰(zhàn)：每種電池類型都有建議的充電和放電電流和電壓限制。超過這些參數(shù)會導致氧化和短路，從而損壞電池并縮短其使用壽命。在最壞的情況下，可能會發(fā)生爆炸、火災和觸電。

建議措施：向單元添加足夠的傳感器允許 BMS 擁有數(shù)據(jù)并對其進行分析以采取進一步行動。

因此，系統(tǒng)可以控制與電壓相關的電流、電壓和充電狀態(tài)。如果偏離允許值，BMS 可以使用斷路器斷開電路并停止對電池充電。

BMS 過流和過壓/欠壓保護系統(tǒng)（來源：Integra Sources）

BMSes 可以警告用戶電池可能出現(xiàn)的問題。在這種情況下，系統(tǒng)會發(fā)送警報或推送通知并顯示在設備面板上。

BMSes和充電器一樣，可以采用恒壓/恒流電池充電方式進行過流過壓保護。思路如下：

您以恒定電流為電池充電，直到電池達到一定的電壓水平。然后在電流下降時以恒定電壓為電池充電。當電流具有最低可能值時，充電結束。

您可以在 BMS 的軟件和硬件級別安裝電壓和電流監(jiān)控。以下是我們用于工業(yè) BMS 解決方案的基本硬件示例：

電流和電壓互感器

一個放大器和一個帶有電阻分壓器的緩沖器，用于增加輸出電流和電壓的值

將電流和電壓值轉換為數(shù)字信號的模數(shù)轉換器

用于讀取信號的微控制器 (MCU)

我們?yōu)?MCU 編寫了固件，該固件可以將測量值與電流和電壓限制進行比較，然后可以向斷路器發(fā)送命令。

但在設計保護電路時，必須小心。額外的電子設備不僅會增加 BMS 成本，還會增加內(nèi)阻并降低電池的功率。

恒壓/恒流電池充電（來源：Integra Sources）

熱管理

熱管理是 BMS 最重要的鋰離子電池安全預防措施之一。它包括電池溫度控制并處理加熱、冷卻和空調

挑戰(zhàn)：高效的鋰離子電池很脆弱。鋰是一種非?；顫姾鸵兹嫉慕饘?，當它與水和空氣接觸時會立即燃燒起來。

即使是溫度的輕微升高或對電池的輕微損壞，也可能導致熱失控和短路，從而導致爆炸和火災。

這就是電池熱管理對于基于鋰離子的解決方案極為重要的原因。電池可接受的溫度為：

32?F 至 113?F（0?C 至 45?C）用于充電

–4?F 至 140?F（–20?C 至 60?C ?）用于放電

32?F 至 68?F（0?C?至 20?C）用于存放

建議措施：您的 BMS 電池熱管理系統(tǒng)可以檢查溫度是否在限制范圍內(nèi)。要測量電池內(nèi)部和周圍的溫度，您可以使用溫度傳感器或熱敏電阻——半導體熱敏電阻。

BMS 發(fā)現(xiàn)與某些值的偏差并立即采取措施來節(jié)省電池。

例如，BMS 可以應用熱敏電阻和熱熔斷器來保護電池在工作期間不會過熱。如果溫度升高得太高，它們將打開電路并斷開電池。

大多數(shù)最新的 BMS 使用負溫度系數(shù) (NTC) 熱敏電阻。它們非常容易接受，可以高速準確地檢測電阻的任何變化。

BMS 過熱保護系統(tǒng)（來源：Integra Sources）

熱 BMS 在充電和放電時將注意力集中在鋰電池上。首先，它應該跟蹤電池內(nèi)部的溫度，以防止其熱失控和著火。

此外，它還必須保護電池免受不利環(huán)境條件的影響。鋰離子電池對溫度下降非常敏感。您應該在特定溫度下對它們進行充電或放電（參見上圖）。超過限制可能會導致電池老化、斷電和完全停止。

熱管理系統(tǒng)可應對任何緊急情況。它使用電池冷卻調節(jié)溫度或關閉充電器；粉絲；或供暖、通風和空調 (HVAC) 系統(tǒng)。

BMSes 中實現(xiàn)的另一個特性是散熱。該系統(tǒng)使用它來去除電池中電化學反應產(chǎn)生的多余熱量。該方法包括空氣和液體冷卻以及對流。

除了電池之外，您還需要確保 BMS 解決方案中涉及的電子設備的熱管理。適當數(shù)量的熱敏電阻和恒溫器可以保護系統(tǒng)和用戶免受潛在的熱危害。

防火

發(fā)生火災的可能性很低，但有時會發(fā)生最壞的情況。如果電池發(fā)炎，系統(tǒng)應立即提醒您并采取必要措施將其切斷。如果您無法避免電池過熱，請確保您的 BMS 具有防火系統(tǒng)。

挑戰(zhàn)：火災是鋰 BESS 最嚴重的威脅之一。

這就是為什么您必須牢記這項技術的易燃性并采取一切必要措施來防止可能出現(xiàn)的問題。

然而，由于制造缺陷，您的電池可能會著火。

電池包和電池板中的缺陷會導致內(nèi)部短路，從而導致火花、煙霧和火焰。

建議措施：最好在使用前檢查電池是否存在工廠缺陷。它必須對電池及其包裝、組件和結構進行詳細檢查。

正確安裝、使用、維護和儲存也可以降低電池起火的風險。在電流、電壓和溫度限制范圍內(nèi)操作可以防止您的鋰離子電池過熱和著火。

通過建立可靠的防火系統(tǒng)，您可以保護自己和您的 BMS 免受煙霧、火災和有毒氣體的影響。

煙霧探測器可以解決這個問題。使用 BMS 可以迅速檢測電池燃燒并連接到電池冷卻和滅火系統(tǒng)。

火災處理方法取決于電池大小和點火規(guī)模。手機或筆記本電腦等小型電池需要放置泡沫滅火器或 ABC 干粉以進行防火。水通常用于較大的火災，但它必須是大量的自來水來冷卻電池并去除電池分解產(chǎn)生的氧氣。

電池系統(tǒng)越復雜，其應具備的防火保護就越復雜。

在我們的一個項目中，我們在每個電池塊中放置了煙霧傳感器。萬一發(fā)生事故，BMS 會收到來自探測器的信號并打開水管上的閥門。此外，我們還安裝了檢測、控制和消除管道泄漏的設備。

BMS 防火系統(tǒng)（來源：Integra Sources）

消防安全對您的 BESS 認證非常重要。它必須符合 UL、NFPA 和其他認證標準的要求（了解構建 BESS 時還需要考慮什么）。

網(wǎng)絡安全

保護電池免于耗盡并不是 BMS 可以解決的唯一問題。沒有人希望他們的系統(tǒng)遭受攻擊或數(shù)據(jù)被盜。因此，在設計 BESS 時要考慮其網(wǎng)絡安全。

挑戰(zhàn)：很多 BMS 都是物聯(lián)網(wǎng)解決方案?；ヂ?lián)網(wǎng)連接使用戶能夠遠距離觀察和控制他們的系統(tǒng)。在這種情況下，總是存在損害信息隱私和統(tǒng)一性的風險。因此，BMS 也容易受到網(wǎng)絡攻擊。

該系統(tǒng)需要強大的 BMS 安全功能來抵御可能對電池和相應 BMS 模塊有害的未經(jīng)授權的訪問和惡意行為。

建議措施： 通過執(zhí)行不同的保護程序來保護您的系統(tǒng)。

首先，確保只有授權用戶才能訪問和管理系統(tǒng)。為此，您可以添加具有唯一密碼和/或其他身份驗證方法的用戶識別系統(tǒng)。

在自定義 BMS 中，我們?yōu)槲覀兊囊粋€客戶創(chuàng)建：用戶提交身份驗證請求，輸入登錄名和密碼。成功的身份驗證需要自動授權。用戶會收到一個具有訪問權限的列表。所有下一個請求都會檢查用戶的權限。

為了數(shù)據(jù)的統(tǒng)一性和安全性，您的通信協(xié)議應該具有強大的加密機制。通過這種方式，BMS 可以維護元素之間的任何交互，同時保持 BMS 及其用戶的保密性。

結論

由于化學電池類型引起的反應的意外和危險影響，BMS 及其用戶都可能容易受到攻擊。

鋰 BESS 是最具潛在危險的解決方案之一。這就是為什么在 BMS 中擁有強大的安全保護如此重要的原因。

BMSes 可以預測和消除一系列威脅。常見的鋰電池安全挑戰(zhàn)是：

欠壓和過壓

過電流

極端溫度

自燃

此外，BMS 可以解決一系列與安全相關的問題，例如網(wǎng)絡威脅和隱私丟失。

審核編輯：湯梓紅