电池管理系统的重要性

[导读]如今，现代电池的功率更加强大，能够为汽车、火车甚至飞机提供长时间续航和快速充电，且完全安全。专用电路，即电池管理系统 ( BMS )，可延长电池使用寿命，并提高其使用和充电安全性。受 BMS 影响最大的电池类型是可充电电池，尤其是锂离子电池，目前在从智能手机到电动汽车的大多数应用中都有使用。这些智能系统在监控、控制和优化电池性能和寿命方面发挥着关键作用，同时确保用户和负载安全。

如今，现代电池的功率更加强大，能够为汽车、火车甚至飞机提供长时间续航和快速充电，且完全安全。专用电路，即电池管理系统 ( BMS )，可延长电池使用寿命，并提高其使用和充电安全性。受 BMS 影响最大的电池类型是可充电电池，尤其是锂离子电池，目前在从智能手机到电动汽车的大多数应用中都有使用。这些智能系统在监控、控制和优化电池性能和寿命方面发挥着关键作用，同时确保用户和负载安全。

介绍

为了确保电池长期安全高效运行，需要电池管理系统 (BMS)。它执行许多功能，其中一些功能非常复杂(见图 1 中的框图)。第一个功能是电池监控，它实时收集大量有关主要电池参数的信息。其中一些涉及输出电流、充电电流、电流电压、温度和充电状态。这些信息用于评估电池的健康状况并检查是否存在任何异常。

一个非常重要的功能是控制充电和放电电流，以防止能量过载或深度放电，因为这可能会损害电池本身的寿命。温度也受到严格监控，以避免过热和可能的爆炸或火灾。最复杂的模型涉及将电流独立输送到各个电池，以确保最佳平衡。电池管理系统还实施各种安全措施，以防止损坏、故障和故障。它会在发生异常分配或充电时进行干预，在发生危险情况时立即中断充电或放电。

某些配备特殊电路的型号甚至可以通过有线或无线连接将收集到的各种信息传输到其他系统。如果电池位于操作员难以接近的地方，这种可能性非常有用。最简单的系统会监控电压和电流并检查是否存在任何过载，而更先进的系统则实现电池平衡、与其他系统通信和高级诊断的功能。

图 1：BMS 功能

改善电池管理

电动汽车的电子和自动化电池管理是当今最严峻的挑战之一，而最关键的因素之一是选择集成电路来实现许多功能。一个好的系统必须首先了解电动汽车的电池组架构。通常，它们由一定数量的电池组成，这些电池串联、并联或混合连接，以增加电压或电流并获得更多能量。

每个电池通常都配有一个电子模块，用于持续监控电池，系统会收集所有信息以确保电池的安全运行。BMS 执行多项任务，例如精确的热管理、精确的电压和电流测量、各个电池电量的出色平衡以及一系列系统安全程序。事实上，BMS 的主要功能如下：

· 电池保护：确保正常运行，并防止在其操作区域内发生任何意外操作

· 电池监控：在充电和放电过程中不断检查电池的充电状态和健康状况

· 电池优化：保证电池的良好平衡，提高电池的寿命和容量，从而优化电动汽车的自主性。

详细分析 BMS 的宝贵作用，它执行电池欠压或过压控制。如果在一定电压范围之外充电和放电，锂电池可能会损坏，通常在 10.5 V 和 14.8 V 之间。在这种情况下，BMS 会自动阻止电池。此外，它还针对高连续和脉冲最大放电电流实施自动保护。它自动保护系统免受短路的影响，短路很容易引起爆炸和火灾，并且它对工作温度进行有效和持续的检查，因为锂电池在 0°C 以下和 55°C 以上无法充电，在 -20°C 以下和 60°C 以上无法正常工作。

BMS 还发挥着控制最大充电电流的基本作用，因为 LiFePO4 电池的充电速度比铅酸电池快，但必须始终遵守限制。最后，电池管理系统实现电池平衡，下一段将深入探讨这个主题。BMS 的一个有效示例是 STMicroelectronics 生产的电池管理解决方案。它基于 L9963E 集成电路(见图 2)，可以在单向或双向配置下提供最多 14 个串联电池的最高精度测量，并实现非常复杂的电池监控和诊断功能。

图 2：意法半导体的 L9963E BMS

另一个 BMS 示例是德州仪器的 BQ76905(见图 3)，它集成了 2 至 5 个串联电池的电池监控功能;包括电压、温度、电流和内部诊断的保护电路。它实现了电池平衡功能，必须控制该功能以限制电流并避免超过设备的建议工作温度。这是通过正确计算电池输入电阻并限制一次可以平衡的电池数量来实现的。

图 3：德州仪器的 BQ76905 BMS

电池平衡

与传统电池相比，锂电池具有许多优势，效果最佳，但在生产过程中，无法保证标称容量、内阻和自放电的型号完全相同。这些细微的差异随着时间的推移会使电池单元失去平衡，降低其效率并加速老化。内部电池单元串联，充电和放电使用相同的能量。如果没有适当的平衡系统，电池之间的差异会越来越大，实际上会损坏电池。因此，如果您在不平衡的情况下为电池充电，较弱的电池单元会比更强大的电池单元先达到满容量。普遍的问题恰恰是由于最弱的电池单元的存在。

平衡功能可让您延长电池的使用寿命，因为它们会对各个部分进行全面而独立的检查。此功能可最大程度地提高电池总容量，并防止局部充电不足或过度充电。通过这种技术，BMS 可确保组成电池的所有电池具有相同的充电状态。根据所使用的技术，存在被动平衡操作，其中充电过剩的电池使用功率电阻器消散功率(和热量)，以均衡所有电池的充电状态。通过这种方法，通过将充电最多的电池连接到功率负载(例如被动调节器)来消耗它们的能量。因此，常见的 BMS 系统对充电最多的电池施加电阻，等待充电量最少的电池达到相同的能量水平。这种方法效率低，平衡过程极长，甚至数十小时，虽然非常经济，但并不能延长电池寿命。

另一方面，主动平衡更为复杂且成本更高，但可以获得出色的结果，因为在充电和放电周期中，电流会在各个电池之间独立重新分配;此外，它的实施速度非常快，有时甚至只需几分钟。这种方法将能量从充电较多的电池传输到充电较少的电池，或将充电电流降低到足够低的水平，以使充满电的电池不会受到损坏，而充电较少的电池可以继续充电。因此，自主性得到了提高，并且不会产生系统温度的特别升高。但是，通过被动或主动电池平衡，电池组中的每个电池都受到监控，以保持良好的充电状态。

因此，平衡可延长电池的平均寿命并提供额外的保护，防止电池因深度放电或过度充电而损坏。Analog Devices 提供了一个主动电池平衡电路示例，其 LT8584 可如图 4 所示。它是一款单片反激式转换器，放电电流为 2.5 A，与 LTC680x 系列电池监视器一起使用。