电池广泛应用于多种应用，例如不同类别的电动汽车(纯电动汽车、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，例如电网稳定、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。正确管理这些电池包是一项非常重要的任务，需要硬件和软件组合。此任务通常由电池管理系统(BMS)执行，IEEE 1491标准将其定义为“用于测量、存储和报告电池运行情况的永久安装系统”。
本文对动力电池中所使用的不同化学物质以及实施BMS的主要目的进行了全面概述。
电池之间的第一个区别是有一次电池和二次电池。一次电池是不可充电的，而二次电池是可充电的。每个电池系统都有其化学特性，市场上的动力电池品种也很多。由于本文的重点主要是二次电池，因此表1总结了几种较常用电池的重要特性。
表1：较常用电池的特性。
镍镉(NiCd)电池的开发已有一个多世纪的历史。这种电池以相对便宜和鲁棒而闻名，并因其高容量、易于维护和低成本而被广泛采用。平均电芯电压约为1.2V。这些特性使得镍镉电池在电动工具中非常受欢迎。镍镉电池的能量密度和比能量相对较低，这是其缺点。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，镍氢电池于1990年推出，具有更高的能量密度和比能量。镍氢电池已广泛应用于笔记本电脑、手机和剃须刀等领域。它们还在记忆效应和金属污染方面带来了改进。与镍镉电池相比，镍金属电池的缺点是自放电率较高，对过度充电的耐受性较差，并且充电过程更加复杂。
与镍基电池相比，锂离子电池具有更高的充放电倍率(C-rate)、更高的能量密度和更长的循环寿命。此外，锂离子电芯还具有平均工作电压高达3.6V的优势。锂离子电池的自放电率也比镍基电池低得多。这种电池也不会受到记忆效应的影响，并且与镍基电池相比，提供大电流的能力(以充放电倍率表示)较差。对锂离子电池过度放电会导致循环寿命缩短。如果不采取进一步的预防措施，锂离子电池过度充电会导致危险情况发生，甚至可能导致电池火灾或爆炸。因此，一般来说，锂离子电池不允许过度充电和过度放电。
根据所使用的正极，LiFePO4、LiMn2O4、NCM和锂离子等电池有着多种类型，在充电速率、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，对于电动汽车而言，能量密度是一个关键因素。与镍基电池相比，锂离子电池具有更高的能量密度、功率密度和寿命，未来更有前景。目前业界正在进行研究以改善电池的不同方面，即成本、充电率和安全性。
选择电池时还需要考虑许多其他方面，最好听取FAE工程师或专家的建议。(可以随时联系艾睿电子当地的BMS和电池专家来获取帮助。)
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)和极高电流。所有这些监测值对于BMS的任务都是必需的。原则上，BMS适用于最大化SOC、优化SOH并通过将数值保持在给定窗口内来保护电池免遭深度放电和过压，如图1所示。
图1：锂离子电池(NMC)的操作窗口。
在多电芯电池中，电量最低的电芯决定了整个系统的容量。如图1所示，如果电压低于或高于电池所设计的阈值电压，电池将遭受不可逆的损坏。如果电压较低，阳极铜会溶解。如果电压较高，就会发生锂镀层，而如果电压升高得更多，电芯就会开始放气并着火。
电芯均衡通常由具有高精度模数转换器(ADC)的集成电路(IC)来执行。电芯均衡的主要类型有有源均衡和无源均衡。在有源均衡中，可以将单节电芯的较高电荷传输到另一节单独的电芯，而在无源均衡中，则可在电阻器的帮助下使电荷消散。单独的电芯控制器可独立于主BMS控制器，执行特定的、特别是节能的内务管理功能，例如功能安全所需的定期电芯测量和状态分析。发送过压或欠压信号的安全功能会自动触发。
过放电保护，也称为低压截止，是许多(通常是所有锂离子)电池包都具有的重要安全功能。它的目的是防止电压降到一定水平以下。
电池深度放电的后果多种多样，但几乎在所有情况下，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，不同电芯的化学物质具有不同的安全操作范围。一般来说，我们使用IC来确定安全工作范围，并为应用中的电芯/电池包提供必要的保护。
当电池发生短路时，需要进行过流保护。这会导致极端的放电行为，并产生大电流，进而导致电池迅速升温并发生热失控事件。
电池保护有三种方式：热熔断器、智能熔断器(pyro fuse)和断路器。BMS制造商可以根据所需的安全级别在一个系统中使用一项或所有功能。
当电池包达到一定温度水平时，热熔断器就会启动。在电动汽车等高压系统中，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pyro fuse发挥了作用。这种熔断器可连接到高压路径的负极或正极或两者上。pyro fuse作为最后一道防线被触发，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的断路器是保护电池包系统在短路情况下免受损坏的一种可能的方法。该解决方案的缺点是价格和尺寸。其功能与pyro fuse相同，但可以在事件发生后打开。
如前所述，电芯在电流的帮助下达到均衡。根据电池的充电能力，该电流在100mA和500mA范围内。过流保护即均衡IC所不得超过的特定电流限值。大多数情况下，可单独设置此限值，而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，定义阈值时应考虑到这一点。此外，必须将电流限值设置为低于实际电池电流消耗水平。一般情况下，该限值还会附加2~3的安全系数。在电流波动较小的情况下，可能会误触发BMS过流保护。为了防止系统这样做，一些BMS提供了迟滞数字滤波器的功能。
根据所使用的化学成分，电池可支持高达60℃的温度。电芯发热的温度会扩散到相邻电芯，而导致整个电池包立即升温。热量会引发连锁反应，通过不同的化学反应释放出易燃气体，从而使整个电池包着火。
当达到预定义的温度阈值时，热失控保护就会被触发。它会关闭电池并防止电池进入热失控状态。
BMS的主要作用是保护电池并传达电池状态。需要防范的危险种类繁多。绿色安全工作区域(图1)说明了电池可使用的有限条件。我们需要确保电池包不会在设计工作范围之外使用。需要复杂、安全的机制来将电池保持在该区域并确保其对人类安全。BMS中所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予以考虑。IC、架构、软件和电池包的选择都会产生成本，如果没有深入的了解，就很难做出“最佳”选择。如果需要任何建议或支持，请随时联系艾睿电子。
Ulrich Lentz是艾睿电子(Arrow Electronics)的FAE工程师。
1Infineon Technologies AG. (Dec. 29, 2022). “Batterieüberwachung und Zellen-Balancing.”
2Shah, J. (May 5, 2022). “Why do Lithium-ion Batteries Catch Fire? How to Avoid the Mishap?”
3Solarwirtschaft, D.B. (November 2014). SICHERHEITSLEITFADEN Li-Ionen Hausspeicher. Bundesverband Energiespeicher e.V. (BVES), Bundesverband Solarwirtschaft e.V.
4Tritek. (2022). “What is a BMS protection board of lithium battery?”
5Vetter, D.M. (2022). Lade und Betriebsführungsstrategien. Basiswissen Batteriemanagementsysteme für stationäre und mobile Anwendungen. Stuttgart: Verein Deutscher Ingenieure.
6Bergveld, H.J., Kruijt, W.S., & Notten, P.H.L. (2002.) “Battery Management Systems.”
（原文刊登于EDN姊妹网站Power Electronics News，参考链接：Battery Management Systems: The Most Commonly Used Cells，由Franklin Zhao编译。）
本文为《电子技术设计》2023年8月刊杂志文章，版权所有，禁止转载。免费杂志订阅申请点击这里。
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