動力電池的原理和類型，實現BMS的主要目的

電池廣泛用于許多應用，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，如電網穩定性、調峰和可再生能源時移。在這些應用中，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，需要硬件和軟件組件。此任務通常由電池管理系統 （BMS） 實現，IEEE標準 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”。

本文對動力電池中使用的不同化學物質以及實現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。每個電池系統都有其化學性質的特點，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）電池已經發展了一個多世紀。它們以相對便宜和堅固而聞名，并因其高容量、易于維護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”。最后，鎘的使用會導致嚴重的環境問題。

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、手機和剃須刀等應用。在記憶效應和金屬污染方面，它們也帶來了改進。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壽命。此外，鋰離子電池具有3.6V的高平均工作電壓的優點，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致循環壽命縮短。如果沒有進一步的預防措施，鋰離子電池過度充電會導致危險情況，甚至可能導致電池起火或爆炸。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、放電和環境影響方面提出了不同的性能水平。應用包括筆記本電腦、手機和電動汽車電池。

動力電池的性能對于市場接受度至關重要。例如，對于電動汽車，能量密度是一個關鍵因素。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。

選擇電池時還有許多其他方面需要考慮，最好由 FAE 或專家提供建議。您可以隨時聯系艾睿電子當地的BMS和電池專家來幫助您。

需要保護的危害

BMS用于調節和監控電池的充電和放電。有幾個特性需要監控，包括溫度、電流、電壓、電池類型、高壓系統中的隔離、充電狀態 （SOC）、健康狀態 （SOH）
和極端高電流。所有這些監控值對于 BMS
的任務都是必需的。原則上，BMS適用于最大化SOC，優化SOH，并通過將值保持在給定窗口內來保護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（電池平衡）

在多節電池中，電荷最低的電池決定了整個系統的容量。如圖1所示，如果電壓低于或上升到電池設計用于的閾值電壓，電池將遭受不可逆轉的損壞。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轉換器的集成電路（IC）執行。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到另一個單電池，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 控制器執行特定的、特別節能的內務管理功能，例如功能安全所需的定期單元測量和狀態分析。過壓或欠壓信號的安全功能可自主觸發。

過放電保護/低壓切斷

過放電保護，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，它都會導致不可逆轉的損壞。例如，生命周期性能降低甚至熱失控都可能導致火災。

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

短路保護

當電池發生短路時，需要過流保護。這會導致極端的放電行為;因此，存在大電流，電池迅速升溫并發生熱失控事件。

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

當電池組達到一定溫度水平時，熱切斷開始。在EV等高壓系統中，此功能通常由數字處理器激活，而在低壓應用中，可以根據預定義的閾值自行觸發此保護。

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

在卡車等特殊環境中，服務連續性很重要，我們傾向于使用更復雜、更昂貴的解決方案?；诒晨勘?SiC MOSFET的斷路器是在發生短路時保護電池組系統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，但可以在事件發生后打開。

過流保護

如前所述，電池在電流的幫助下得到平衡。根據電池的充電能力，該電流在 100 mA 和 500 mA
范圍內。過流保護是平衡IC不應超過的特定電流限制。大多數情況下，此限制可以單獨設置，并有助于保護電池免受不可逆轉的損壞、火災或爆炸。

電流消耗取決于環境溫度，在定義閾值時應考慮環境溫度。此外，電流電平限制必須設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。在電流波動較小的情況下，可能會發生BMS過流保護的錯誤觸發。為了防止系統這樣做，一些BMS具有稱為遲滯和數字濾波器的功能。

熱失控保護

根據所使用的化學成分，電池可以支持高達 60°C的溫度。熱電池的溫度可以擴散到相鄰的電池，整個電池組可以立即加熱。熱量引發連鎖反應，通過釋放易燃氣體的不同化學反應使整個電池組著火。

當達到預定義的溫度閾值時，將觸發熱失控保護。它關閉電池并防止電池進入熱失控狀態。

BMS的主要作用是保護和傳達電池的狀態。需要保護的危害種類繁多。綠色的安全工作區（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計工作范圍之外使用。復雜和安全的機制對于將電池保持在該區域并使其對人類安全是必要的。BMS中使用的軟件部分是設計的重要組成部分，需要在項目早期階段加以考慮。IC、架構、軟件和電池組的選擇會產生成本，如果沒有深入的知識，很難做出“最佳”選擇。