动力电池的原理和类型，实现BMS的主要目的

电池广泛用于许多应用，例如不同类别的电动汽车（电池电动汽车、混合动力汽车和燃料电池电动汽车），以及用于各种目的的储能，如电网稳定性、调峰和可再生能源时移。在这些应用中，通常使用铅酸、镍氢（NiMH） 和锂离子 （Li-ion） 电池。正确管理这些电池组是一项非常重要的任务，需要硬件和软件组件。此任务通常由电池管理系统 （BMS） 实现，IEEE标准 1491 将其定义为“用于测量、存储和报告电池运行的永久安装系统”。

本文对动力电池中使用的不同化学物质以及实现BMS的主要目的提出了全球概述。

动力电池的原理和类型

电池之间可以做出的第一个区别是有一次电池和二次电池。原电池不可充电，而二次电池可充电。每个电池系统都有其化学性质的特点，市场上的动力电池品种繁多。由于本文的重点主要集中在二次电池上，因此表1总结了最常用的电芯的最重要特性。

表1：最常用的单元格的特征

镍镉（NiCd）电池已经发展了一个多世纪。它们以相对便宜和坚固而闻名，并因其高容量、易于维护和低成本而被广泛采用。电池平均电压约为1.2
V。这些特性使镍镉电池在电动工具中非常受欢迎。能量密度和比能量相对较低，这是镍镉电池的缺点。此外，镍镉电池还存在所谓的“记忆效应”。最后，镉的使用会导致严重的环境问题。

与镍镉电池不同，1990年推出的镍氢电池具有更高的能量密度和比能量。镍氢电池已广泛用于笔记本电脑、手机和剃须刀等应用。在记忆效应和金属污染方面，它们也带来了改进。与镍镉电池相比，NiM的缺点更高，对过度充电的鲁棒性较差，充电过程也更复杂。

与镍基电池相比，锂离子电池支持更高的C倍率，更高的能量密度和更长的循环寿命。此外，锂离子电池具有3.6V的高平均工作电压的优点，锂离子电池的自放电率也比镍基电池低得多。它们也不会受到记忆效应的影响，并且与镍基电池相比，它们提供以 C速率表示的大电流的能力较差。锂离子电池过度放电会导致循环寿命缩短。如果没有进一步的预防措施，锂离子电池过度充电会导致危险情况，甚至可能导致电池起火或爆炸。因此，一般可以说锂离子电池的过度充电和过度放电是不允许的。

基于使用过的阴极，LiFePO4， 林锰2O4，NCM和锂离子电池的品种在充电率、安全性、成本、充电、放电和环境影响方面提出了不同的性能水平。应用包括笔记本电脑、手机和电动汽车电池。

动力电池的性能对于市场接受度至关重要。例如，对于电动汽车，能量密度是一个关键因素。锂离子电池具有更高的能量密度、功率密度和寿命，与镍基电池相比，未来更有希望。目前正在研究改善电池的不同方面，即成本、充电率和安全性。

选择电池时还有许多其他方面需要考虑，最好由 FAE 或专家提供建议。您可以随时联系艾睿电子当地的BMS和电池专家来帮助您。

需要保护的危害

BMS用于调节和监控电池的充电和放电。有几个特性需要监控，包括温度、电流、电压、电池类型、高压系统中的隔离、充电状态 （SOC）、健康状态 （SOH）
和极端高电流。所有这些监控值对于 BMS
的任务都是必需的。原则上，BMS适用于最大化SOC，优化SOH，并通过将值保持在给定窗口内来保护电池免受深度放电和过压的影响，如图1所示。

图1：锂离子电池（NMC）的操作窗口

过压和欠压保护（电池平衡）

在多节电池中，电荷最低的电池决定了整个系统的容量。如图1所示，如果电压低于或上升到电池设计用于的阈值电压，电池将遭受不可逆转的损坏。在较低电压的情况下，阳极铜溶解。在电压较高的情况下，会发生镀锂，如果电压上升得更多，电池将开始释气并点燃。

电池平衡通常由带有高精度模数转换器的集成电路（IC）执行。电池平衡的主要类型是主动和被动平衡。在主动平衡中，单个电池的较高电荷可以传输到另一个单电池，而在被动平衡中，电荷在电阻器的帮助下耗散。单个单元控制器可以独立于主
BMS 控制器执行特定的、特别节能的内务管理功能，例如功能安全所需的定期单元测量和状态分析。过压或欠压信号的安全功能可自主触发。

过放电保护/低压切断

过放电保护，也称为低压切断，是许多（通常是所有锂离子电池组）都具有的重要安全功能。它旨在防止电压降低于一定水平。

深度放电电池的后果多种多样，但在几乎所有情况下，它都会导致不可逆转的损坏。例如，生命周期性能降低甚至热失控都可能导致火灾。

因此，不同的电池填料具有不同的安全操作区域。通常，我们使用IC来确定安全工作范围，并为应用中的电池/电池组提供必要的保护。

短路保护

当电池发生短路时，需要过流保护。这会导致极端的放电行为;因此，存在大电流，电池迅速升温并发生热失控事件。

保护电池的方法有三种：热切断、热释电保险丝和断路器。BMS制造商可以在一个系统中使用一个或所有功能，具体取决于所需的安全级别。

当电池组达到一定温度水平时，热切断开始。在EV等高压系统中，此功能通常由数字处理器激活，而在低压应用中，可以根据预定义的阈值自行触发此保护。

在人类可能受到伤害的环境中，防火和防爆尤为重要。因此，数字触发的火焰保险丝开始发挥作用。保险丝连接到负或正或两者的高压路径。保险丝作为最后的防线被触发，以防止对电池造成重大损坏。

在卡车等特殊环境中，服务连续性很重要，我们倾向于使用更复杂、更昂贵的解决方案。基于背靠背 SiC MOSFET的断路器是在发生短路时保护电池组系统免受损坏的一种可能方法。这种解决方案的缺点是价格和尺寸。功能与火焰引信相同，但可以在事件发生后打开。

过流保护

如前所述，电池在电流的帮助下得到平衡。根据电池的充电能力，该电流在 100 mA 和 500 mA
范围内。过流保护是平衡IC不应超过的特定电流限制。大多数情况下，此限制可以单独设置，并有助于保护电池免受不可逆转的损坏、火灾或爆炸。

电流消耗取决于环境温度，在定义阈值时应考虑环境温度。此外，电流电平限制必须设置为低于实际电池电流消耗水平。通常，该液位带有 2 到 3的额外安全系数。在电流波动较小的情况下，可能会发生BMS过流保护的错误触发。为了防止系统这样做，一些BMS具有称为迟滞和数字滤波器的功能。

热失控保护

根据所使用的化学成分，电池可以支持高达 60°C的温度。热电池的温度可以扩散到相邻的电池，整个电池组可以立即加热。热量引发连锁反应，通过释放易燃气体的不同化学反应使整个电池组着火。

当达到预定义的温度阈值时，将触发热失控保护。它关闭电池并防止电池进入热失控状态。

BMS的主要作用是保护和传达电池的状态。需要保护的危害种类繁多。绿色的安全工作区（图1）说明了电池的使用条件有限。我们需要确保电池组不会在设计工作范围之外使用。复杂和安全的机制对于将电池保持在该区域并使其对人类安全是必要的。BMS中使用的软件部分是设计的重要组成部分，需要在项目早期阶段加以考虑。IC、架构、软件和电池组的选择会产生成本，如果没有深入的知识，很难做出“最佳”选择。