動力電池的原理和類型，實現(xiàn)BMS的主要目的

電池廣泛用于許多應(yīng)用，例如不同類別的電動汽車（電池電動汽車、混合動力汽車和燃料電池電動汽車），以及用于各種目的的儲能，如電網(wǎng)穩(wěn)定性、調(diào)峰和可再生能源時移。在這些應(yīng)用中，通常使用鉛酸、鎳氫（NiMH） 和鋰離子 （Li-ion） 電池。正確管理這些電池組是一項非常重要的任務(wù)，需要硬件和軟件組件。此任務(wù)通常由電池管理系統(tǒng) （BMS） 實現(xiàn)，IEEE標(biāo)準(zhǔn) 1491 將其定義為“用于測量、存儲和報告電池運行的永久安裝系統(tǒng)”。

本文對動力電池中使用的不同化學(xué)物質(zhì)以及實現(xiàn)BMS的主要目的提出了全球概述。

動力電池的原理和類型

電池之間可以做出的第一個區(qū)別是有一次電池和二次電池。原電池不可充電，而二次電池可充電。每個電池系統(tǒng)都有其化學(xué)性質(zhì)的特點，市場上的動力電池品種繁多。由于本文的重點主要集中在二次電池上，因此表1總結(jié)了最常用的電芯的最重要特性。

表1：最常用的單元格的特征

鎳鎘（NiCd）電池已經(jīng)發(fā)展了一個多世紀(jì)。它們以相對便宜和堅固而聞名，并因其高容量、易于維護(hù)和低成本而被廣泛采用。電池平均電壓約為1.2
V。這些特性使鎳鎘電池在電動工具中非常受歡迎。能量密度和比能量相對較低，這是鎳鎘電池的缺點。此外，鎳鎘電池還存在所謂的“記憶效應(yīng)”。最后，鎘的使用會導(dǎo)致嚴(yán)重的環(huán)境問題。

與鎳鎘電池不同，1990年推出的鎳氫電池具有更高的能量密度和比能量。鎳氫電池已廣泛用于筆記本電腦、手機(jī)和剃須刀等應(yīng)用。在記憶效應(yīng)和金屬污染方面，它們也帶來了改進(jìn)。與鎳鎘電池相比，NiM的缺點更高，對過度充電的魯棒性較差，充電過程也更復(fù)雜。

與鎳基電池相比，鋰離子電池支持更高的C倍率，更高的能量密度和更長的循環(huán)壽命。此外，鋰離子電池具有3.6V的高平均工作電壓的優(yōu)點，鋰離子電池的自放電率也比鎳基電池低得多。它們也不會受到記憶效應(yīng)的影響，并且與鎳基電池相比，它們提供以 C速率表示的大電流的能力較差。鋰離子電池過度放電會導(dǎo)致循環(huán)壽命縮短。如果沒有進(jìn)一步的預(yù)防措施，鋰離子電池過度充電會導(dǎo)致危險情況，甚至可能導(dǎo)致電池起火或爆炸。因此，一般可以說鋰離子電池的過度充電和過度放電是不允許的。

基于使用過的陰極，LiFePO4， 林錳2O4，NCM和鋰離子電池的品種在充電率、安全性、成本、充電、放電和環(huán)境影響方面提出了不同的性能水平。應(yīng)用包括筆記本電腦、手機(jī)和電動汽車電池。

動力電池的性能對于市場接受度至關(guān)重要。例如，對于電動汽車，能量密度是一個關(guān)鍵因素。鋰離子電池具有更高的能量密度、功率密度和壽命，與鎳基電池相比，未來更有希望。目前正在研究改善電池的不同方面，即成本、充電率和安全性。

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需要保護(hù)的危害

BMS用于調(diào)節(jié)和監(jiān)控電池的充電和放電。有幾個特性需要監(jiān)控，包括溫度、電流、電壓、電池類型、高壓系統(tǒng)中的隔離、充電狀態(tài) （SOC）、健康狀態(tài) （SOH）
和極端高電流。所有這些監(jiān)控值對于 BMS
的任務(wù)都是必需的。原則上，BMS適用于最大化SOC，優(yōu)化SOH，并通過將值保持在給定窗口內(nèi)來保護(hù)電池免受深度放電和過壓的影響，如圖1所示。

圖1：鋰離子電池（NMC）的操作窗口

過壓和欠壓保護(hù)（電池平衡）

在多節(jié)電池中，電荷最低的電池決定了整個系統(tǒng)的容量。如圖1所示，如果電壓低于或上升到電池設(shè)計用于的閾值電壓，電池將遭受不可逆轉(zhuǎn)的損壞。在較低電壓的情況下，陽極銅溶解。在電壓較高的情況下，會發(fā)生鍍鋰，如果電壓上升得更多，電池將開始釋氣并點燃。

電池平衡通常由帶有高精度模數(shù)轉(zhuǎn)換器的集成電路（IC）執(zhí)行。電池平衡的主要類型是主動和被動平衡。在主動平衡中，單個電池的較高電荷可以傳輸?shù)搅硪粋€單電池，而在被動平衡中，電荷在電阻器的幫助下耗散。單個單元控制器可以獨立于主
BMS 控制器執(zhí)行特定的、特別節(jié)能的內(nèi)務(wù)管理功能，例如功能安全所需的定期單元測量和狀態(tài)分析。過壓或欠壓信號的安全功能可自主觸發(fā)。

過放電保護(hù)/低壓切斷

過放電保護(hù)，也稱為低壓切斷，是許多（通常是所有鋰離子電池組）都具有的重要安全功能。它旨在防止電壓降低于一定水平。

深度放電電池的后果多種多樣，但在幾乎所有情況下，它都會導(dǎo)致不可逆轉(zhuǎn)的損壞。例如，生命周期性能降低甚至熱失控都可能導(dǎo)致火災(zāi)。

因此，不同的電池填料具有不同的安全操作區(qū)域。通常，我們使用IC來確定安全工作范圍，并為應(yīng)用中的電池/電池組提供必要的保護(hù)。

短路保護(hù)

當(dāng)電池發(fā)生短路時，需要過流保護(hù)。這會導(dǎo)致極端的放電行為;因此，存在大電流，電池迅速升溫并發(fā)生熱失控事件。

保護(hù)電池的方法有三種：熱切斷、熱釋電保險絲和斷路器。BMS制造商可以在一個系統(tǒng)中使用一個或所有功能，具體取決于所需的安全級別。

當(dāng)電池組達(dá)到一定溫度水平時，熱切斷開始。在EV等高壓系統(tǒng)中，此功能通常由數(shù)字處理器激活，而在低壓應(yīng)用中，可以根據(jù)預(yù)定義的閾值自行觸發(fā)此保護(hù)。

在人類可能受到傷害的環(huán)境中，防火和防爆尤為重要。因此，數(shù)字觸發(fā)的火焰保險絲開始發(fā)揮作用。保險絲連接到負(fù)或正或兩者的高壓路徑。保險絲作為最后的防線被觸發(fā)，以防止對電池造成重大損壞。

在卡車等特殊環(huán)境中，服務(wù)連續(xù)性很重要，我們傾向于使用更復(fù)雜、更昂貴的解決方案。基于背靠背 SiC MOSFET的斷路器是在發(fā)生短路時保護(hù)電池組系統(tǒng)免受損壞的一種可能方法。這種解決方案的缺點是價格和尺寸。功能與火焰引信相同，但可以在事件發(fā)生后打開。

過流保護(hù)

如前所述，電池在電流的幫助下得到平衡。根據(jù)電池的充電能力，該電流在 100 mA 和 500 mA
范圍內(nèi)。過流保護(hù)是平衡IC不應(yīng)超過的特定電流限制。大多數(shù)情況下，此限制可以單獨設(shè)置，并有助于保護(hù)電池免受不可逆轉(zhuǎn)的損壞、火災(zāi)或爆炸。

電流消耗取決于環(huán)境溫度，在定義閾值時應(yīng)考慮環(huán)境溫度。此外，電流電平限制必須設(shè)置為低于實際電池電流消耗水平。通常，該液位帶有 2 到 3的額外安全系數(shù)。在電流波動較小的情況下，可能會發(fā)生BMS過流保護(hù)的錯誤觸發(fā)。為了防止系統(tǒng)這樣做，一些BMS具有稱為遲滯和數(shù)字濾波器的功能。

熱失控保護(hù)

根據(jù)所使用的化學(xué)成分，電池可以支持高達(dá) 60°C的溫度。熱電池的溫度可以擴(kuò)散到相鄰的電池，整個電池組可以立即加熱。熱量引發(fā)連鎖反應(yīng)，通過釋放易燃?xì)怏w的不同化學(xué)反應(yīng)使整個電池組著火。

當(dāng)達(dá)到預(yù)定義的溫度閾值時，將觸發(fā)熱失控保護(hù)。它關(guān)閉電池并防止電池進(jìn)入熱失控狀態(tài)。

BMS的主要作用是保護(hù)和傳達(dá)電池的狀態(tài)。需要保護(hù)的危害種類繁多。綠色的安全工作區(qū)（圖1）說明了電池的使用條件有限。我們需要確保電池組不會在設(shè)計工作范圍之外使用。復(fù)雜和安全的機(jī)制對于將電池保持在該區(qū)域并使其對人類安全是必要的。BMS中使用的軟件部分是設(shè)計的重要組成部分，需要在項目早期階段加以考慮。IC、架構(gòu)、軟件和電池組的選擇會產(chǎn)生成本，如果沒有深入的知識，很難做出“最佳”選擇。