锂离子电池和电池管理系统

 

锂离子电池已成为现代技术的基石，为从便携式电子产品到大型工业设备和电动汽车的所有设备提供动力。

 

与铅酸电池等旧电池化学成分相比，它们具有显着优势，包括更高的能量密度、更轻的重量、更高的效率、更快的充电能力和更长的使用寿命，电池管理系统（BMS）。然而，这种先进的性能伴随着固有的敏感性。

 

如果在特定电压、电流和温度参数（统称为其安全工作区（SOA).

 

在此SOA之外运行会导致性能下降、使用寿命缩短，并且严重会带来重大的安全风险，包括热失控和火灾。

 

为了减轻这些风险并充分利用锂离子技术的潜力，一个复杂的控制和监控系统是必不可少的：电池管理系统（BMS）。

 

BMS通常被称为锂离子电池组的“大脑”，是一组集成的硬件和软件，旨在监督和管理电池组的性能和安全性。

 

其核心目的有三个：确保电池组安全运行、优化其性能以及最大限度地延长其使用寿命。

 

本文将深入探讨BMS的世界，探索其重要功能，强调其对安全性和性能的重要性，解释其工作原理和关键技术，概述不同的系统架构，讨论其广泛的应用，并涉及数据、诊断和先进设计技术在其发展中的作用。

 

这旨在为制造专业人士、工程师和任何对电池技术感兴趣的人提供对这一关键组件的清晰和全面的了解。

 

基本作用：BMS的作用

 

从本质上讲，BMS是用于监控电池组的专用技术。虽然我们经常提到管理“电池”，但实际的监控和控制功能应用于单个电池单元或电池组的级别，称为较大电池组组件中的模块。BMS提供的监督通常包括监控电池的状态、提供保护、估计其运行状态、持续优化性能以及向外部设备报告数据。

 

典型的电池管理系统通常由关键功能组件组成，每个组件在保护锂离子电池免受潜在问题的影响方面都发挥着至关重要的作用。这些功能比更简单的电池平衡器的功能要广泛得多。

 

电池管理系统的主要功能：

 

参数监控：BMS持续跟踪电池组的关键运行参数。

 

电池电压监控：它不仅可以监控整个电池组的电压，更重要的是，还可以监控电池组内每个电池或模块的电压。这一点至关重要，因为如果电池过度充电（电压过高）或过度放电（电压过低），可能会造成损坏。在这些电压限制之外运行，尤其是在充电期间的上限，可能会导致电压快速上升和潜在的危险水平。BMS必须了解这些限制，并根据接近这些阈值做出命令决策。

 

电流监控：BMS监控流入（充电）和流出（放电）电池组的电流。锂离子电池的充电和放电电流有不同的限制，虽然它们可以在短时间内处理更高的峰值电流，但连续电流限制由制造商指定。BMS应用这些限制，有时结合峰值电流监控来处理突然的负载变化或检测短路情况。

 

温度监测：监测电池组或单个模块的温度至关重要。温度会显著影响锂离子电池的性能、使用寿命和安全性。在特定温度范围之外工作会降低容量，加速老化，在极端情况下会导致热失控。

 

 

电池平衡（均衡）：

 

这是多节电池组的关键功能。即使来自同一制造批次的电池，电池的容量也可能略有不同。

 

随着时间的推移，这些差异，再加上自放电、充电/放电循环、温度效应和老化，导致其荷电状态（SOC）在不同电池之间发生变化。

 

电池组不平衡意味着一些电池会先于其他电池达到完全充电或放电极限。

 

这限制了电池组的整体可用容量（电池组的容量受最弱的电池的限制），并且可能导致较强的电池过早老化，因为BMS会根据单个电池的限制终止充电或放电。

 

BMS使用平衡来确保电池组中的电池具有相同的充电状态。

 

充电状态（SOC）估计：

BMS估计并跟踪电池的剩余电能，其功能很像电量计。它通过持续跟踪进出电池组的能量并监控电池电压来实现这一点。虽然SOC无法直接测量，但BMS使用各种技术对其进行估计。

 

健康状况（SOH）评估：

BMS在电池的整个生命周期内收集数据，这些数据可用于评估其整体健康状况和退化程度。

 

故障检测和处理：

BMS可以检测内部短路或连接松动等异常情况，并实施保护措施。

 

与外部系统通信：

BMS将关键数据和状态信息报告给外部设备，例如充电器、逆变器、负载设备、显示器或集成远程信息处理系统。

 

BMS不可或缺的重要性

强大的BMS的存在不仅有益;它对于锂离子电池组的安全、可靠和高效运行至关重要，尤其是在工业设备、电动汽车和大型储能系统等复杂应用中。

 

确保安全：这被广泛认为是BMS的最高重要性。锂离子电池尽管具有性能优势，但含有易燃液体电解质。

 

在严格的安全工作区（SOA）之外作它们可能会产生危险的后果。BMS通过以下方式是抵御这些危险的主要守护者：

防止过度充电和过度放电，这可能会永久损坏电池并导致热失控。

 

防止极端温度。过热，尤其是在快速充电/放电过程中，会加速降解，并可能引发热失控——一种自我维持的、通常无法熄灭的火灾。

 

低温，尤其是低于0°C的温度，由于阳极上有金属锂镀层的风险，因此充电会变得危险，从而导致永久性损坏和增加安全问题。BMS主动监控和管理温度。

 

防止过流和短路，这些也会带来严重的热失控风险。

 

当检测到不安全情况时，立即采取保护措施，例如关闭电池。

 

与铅酸的逐渐褪色不同，锂离子电池在耗尽时会突然关闭，这是BMS保护电池免受有害低电压状态影响的结果。

 

延长电池寿命并提高可靠性：BMS在最大限度地延长电池组的使用寿命和可靠性方面发挥着至关重要的作用。

 

通过防止在SOA（电压、电流、温度限制）之外运行，BMS可以保护电池免受导致过早老化和退化的情况的影响。

 

有效的电池平衡可防止单个电池因失配而承受过大压力，确保整个电池组更均匀地老化，并且使用寿命不受单个弱电池的限制。

 

将电池保持在最佳温度范围（通常称为“金发姑娘区域”，例如30-35°C）可以保护性能并延长使用寿命。

 

优化性能和可用容量：

 

电池平衡是释放锂离子电池组全部性能潜力的关键。

 

通过均衡所有电池或模块的充电状态（SOC），BMS确保电池组能够提供其最大设计容量和功率，防止可用能量受到最弱电池的限制。

简化维护：

 

与铅酸电池等需要定期手动维护（如浇水、pH值检查和温控均衡）的电池技术相比，BMS可自动实现锂离子电池的许多监控和保护功能。

 

这大大减轻了内部管理的负担，最大限度地减少了维护停机时间，并降低了相关的劳动力成本。BMS数据还可以指示潜在问题，从而在灾难性故障发生之前进行主动维护。

 

BMS的工作原理：关键机制

了解BMS的核心功能需要研究其作背后的机制，特别是关于电气保护、热管理和容量管理。

 

电气保护（电流和电压）：BMS通过根据定义的安全工作区（SOA）限制持续监控电流和电压水平来实施电气保护。

 

当充电过程中接近高电压限制时，BMS可能会要求逐渐减少充电电流或完全终止充电电流。

 

同样，当放电过程中接近低电压限制时，它可以请求连接的负载降低其电流需求。

 

例如，在电动汽车中，这可能涉及减少电机的可用扭矩。

 

BMS通常在电压阈值周围包含滞后，以防止快速开关或“颤振”。

 

对于电流保护，BMS执行最大连续电流限制，并可以在短时间内积分电流以检测极端峰值并做出反应，例如由短路引起的峰值，同时仍能容忍持续时间不超过的高峰值需求。

 

热管理：由于温度对性能、使用寿命和安全性有影响，因此管理温度至关重要。

 

加热：虽然锂离子电池在低温下的性能优于其他一些化学物质，但它们的容量会减小，并且由于镀锂可能会造成永久性损坏，因此在0°C （32°F）以下充电尤其危险。BMS可以控制加热以提高电池组温度。

 

这可以使用来自外部交流电源的能量、专门用于加热的单独电池，或者如果加热器消耗适中，则从主电池组中抽取能量来完成。

 

热液压系统可能会使用电加热器来加热在电池组中循环的冷却剂。

 

BMS设计工程师还可能采用一些技巧，例如激活与容量管理相关的内部电力电子设备来产生一些热量。

 

为寒冷的电池充电是有害的，因此BMS在允许充电之前确保温度足够，尤其是快速充电，这可能被限制在5°C以下。

 

冷却：最大限度地减少性能损失并防止因过热而过早老化需要冷却。

 

冷却可以是被动的，依赖于环境气流（如移动的电动汽车），这可以通过风速传感器和自动调节空气坝等功能进行增强。

 

主动冷却也很常见，涉及风扇（可以使电池组温度与环境保持平衡）或热液压系统，这些系统通过热交换器和与电池模块接触的冷却板循环冷却剂。

 

BMS监控整个电池组的温度并控制加热和冷却元件（如液压系统中的打开/关闭阀门），以将电池保持在狭窄的最佳温度范围内，例如30-35°C。

 

容量管理（平衡）：容量管理的核心是均衡整个电池组的充电状态（SOC）。

 

电池组由串联电池组成，对于实现所需的电池组总电压至关重要。

 

堆栈中电池之间的SOC不匹配会在充电过程中造成两难境地：SOC最高的电池首先达到其电压限制，迫使BMS在其他电池满之前终止该部分的充电，从而使电池组容量受到最弱电池的限制。

 

被动平衡：这是更简单的方法。它涉及从具有较高SOC的电池中消耗少量能量，通常在充电周期期间，使用晶体管开关和与每个电池并联的放电电阻器。

 

当BMS检测到电池接近其充电限制时，它会在该电池周围分流电流，允许其下方充电较少的电池继续接收充电电流。

 

这种方法有效地将所有电池降低到最弱电池的水平，确保它们从该点开始均匀充电。虽然易于实施，但它会以热量的形式浪费能量。

 

主动平衡：这种方法更复杂。它不是简单地耗散高SOC电池的多余能量，而是将电荷重新分配给SOC较低的电池。

 

这通常比被动平衡更有效。

 

被动和主动平衡方法都旨在确保电池或模块看到的充电电流与电池组总电流不同，方法是从充电最多的电池中去除电荷（为其他电池提供空间）或将电荷重定向到充电最多的电池（允许其他电池充电更长时间）。

 

有效的平衡对于最大限度地提高电池组的循环寿命和可用容量至关重要。

 

BMS与电池平衡器：区分完整的电池管理系统与更简单的电池平衡器非常重要。

 

一些锂离子电池，特别是在笔记本电脑等要求较低的应用中，可能会使用电池平衡器。

 

这些通常功能有限，主要优化电池电压并在充电时提供基本的过流/欠流保护。

 

它们的主要目的是确保电池具有相同的充电状态。然而，工业设备等应用需要全面的BMS。

 

BMS监控更多关键参数，包括温度变化和真实充电状态，而不仅仅是充电过程中的电压。

 

与简单的平衡器相比，裸金属服务器旨在管理温度、充电习惯和充电状态，提供更广泛的保护和管理功能。

 

BMS系统架构（拓扑）

BMS的设计范围和实现的功能与电池组的成本、复杂性和尺寸以及应用的安全性、使用寿命和认证要求相关。

 

电池管理系统可以根据其物理和电子架构或拓扑结构进行分类，拓扑结构决定了监控和控制单元如何连接到电池单元或模块。

 

集中式架构：在这种拓扑中，电池组组件中有一个主BMS单元。所有电池单元或模块都直接连接到这个中央单元。

 

优势：这种架构往往更紧凑，并且通常是最经济的方法，因为只有一个主系统。

 

弊：对于大型电池组，将所有单个电池或模块直接连接到一个点需要大量的布线、布线和连接器，这可能会使组装、故障排除和维护复杂化。

 

模块化架构：在概念上与集中式系统类似，但BMS功能分为几个重复的模块。每个模块都分配给电池组的相邻部分，并有其电线和连接束。这些子模块可以在主BMS模块的监督下运行，该模块监控其状态并与外部通信。

 

优势：与完全集中式系统相比，模块化特性简化了故障排除和维护。将这种架构扩展到更大的电池组也更直接。

 

弊：由于硬件的重复，总体成本通常略高。也可能存在未在所有应用程序中充分利用的重复功能。

 

主/从（主/从）架构：这在概念上类似于模块化拓扑，但具有明确的层次结构和分工。从属或“从属”单元主要专注于从单元或模块中继测量信息。中央主单元或“主”单元处理主计算、控制逻辑以及与外部系统的通信。

 

优势：由于从属单元更简单（主要是测量），因此总成本可能低于完全模块化的系统。这种结构还可以具有更少的开销和更少的未使用功能。

 

分布式架构：这种拓扑结构截然不同。电子硬件和软件不是带有成束电线连接到单元的中央或半中央单元，而是直接集成到放置在被监控单元或模块上或内部的控制板上。

 

优势：这种方法大大减少了布线量，相邻的分布式BMS模块之间只需要几根传感器和通信线。每个单元都更加独立，处理其本地计算和通信。

 

弊：集成特性通常位于屏蔽模块组件的深处，可能会使故障排除和维护成为问题。成本也往往更高，因为整个电池组结构中有更多的单个BMS单元。

 

拓扑的选择在很大程度上取决于电池组及其预期应用的具体要求，并平衡尺寸、成本、性能需求和易维护性等因素。

 

跨不同行业的应用

鉴于BMS技术在安全性、性能和使用寿命方面的关键作用，它是锂离子电池在广泛行业和应用中成功部署不可或缺的一部分。

 

工业设备：由BMS供电的锂离子电池在物料搬运设备中越来越常见，例如平衡重叉车、三轮叉车、窄通道叉车、末端骑手、中间骑手和步行式托盘搬运车。它们在制造和物流中使用的自动导引车（AGV）和自主移动机器人（AMR）中也是必不可少的。这些应用中的BMS通过提供预防性维护数据、跟踪使用模式以及启用远程监控以及早发现潜在问题来简化车队管理。

 

电动汽车（EV）：从乘用车到商用车和机场地面支持设备（GSE），如后推式拖拉机、皮带装载机和行李拖船，BMS是基础。它管理电池组、电机和充电系统之间的复杂交互，确保动态驾驶和充电条件下的安全并优化续航里程。温度管理，尤其是热液冷却，在大功率EV电池组中尤为重要。

 

可再生能源存储系统：BMS对于将锂离子电池与太阳能和风能等可再生能源集成至关重要，适用于住宅离网系统和大型工业太阳能装置和电池储能系统（BESS）。这些系统可能涉及具有非常高电压和电流的电池组，因此BMS管理的功能安全至关重要。

 

移动和娱乐应用：带有BMS的锂离子电池在房车、货车和各种海洋应用（如帆船、拖钓船和皮划艇）中很受欢迎。BMS确保在可能苛刻的环境条件下从各种来源提供可靠的电力和安全充电。

 

消费电子产品：虽然有时使用更简单的平衡器，但更先进的个人电子产品（如笔记本电脑）通常包含一定程度的电池管理，以监控电量、提供电量计信息并提供基本保护。即使在这些较小的格式中，管理不善也可能导致重大损坏或火灾。

 

在所有这些应用中，BMS将锂离子化学的固有能量密度和性能转化为实用、可靠和安全的电源解决方案。

 

高级方面：数据、诊断和设计

除了其核心保护和管理功能外，BMS还是一个重要的数据源，可以得到高级工程技术的支持。

 

数据收集和诊断：全面的BMS持续监控和记录来自所有电池单元和整个电池组的数据。

 

这个丰富的数据集，包括有关电压、电流、温度、SOC和使用模式的详细信息，非常宝贵。

 

BMS在内部用于实时控制（如平衡算法或状态估计），但对于外部诊断、解决潜在问题以及了解电池随时间推移的行为也至关重要。

 

这些数据可以为预测性维护策略提供信息，有助于在问题变成灾难性之前识别问题。

 

与外部系统集成和远程监控：将BMS与远程信息处理单元等外部系统配对，通常可以通过云远程访问收集的数据。

 

这样可以实时监控整个车队或分布式能源系统的电池健康状况和状态。

 

远程监控提供了对设备使用模式和充电习惯的洞察，使运营经理能够做出明智的决策，以优化使用、降低成本并最大限度地延长正常运行时间。

 

BMS开发中的仿真和设计：BMS设计的复杂性和关键安全作用需要严格的工程流程。

 

仿真工具是探索和解决硬件开发、原型设计和测试过程中设计挑战的重要盟友。

 

通过使用锂离子电池的精确模型和拟议的BMS架构，工程师可以创建一个“虚拟原型”。

 

这允许在构建物理硬件之前很久就对不同的BMS监督功能进行无痛调查，并针对各种电池和环境作场景（包括具有挑战性的边缘情况和最坏情况）测试系统。

 

仿真有助于及早发现和调查实现问题，验证性能和功能安全，缩短开发时间，并增强对首批硬件原型稳健可靠的信心。

 

高级仿真平台为电气、数字、控制和热液压组件提供广泛的模型库，以及用于统计、应力和故障分析的工具。

 

不可或缺的大脑

锂离子电池管理系统不仅仅是一个保护电路;复杂的“大脑”使高性能锂离子技术在无数应用中可行且安全。

 

它能够持续监控关键参数、准确估计状态、平衡电池能量、管理热条件、检测故障以及与外部系统通信，这对于减轻锂离子化学的固有敏感性至关重要。

 

通过确保在安全范围内运行、优化充电和放电过程以及保持电池平衡，BMS直接有助于电池组的安全，优化其性能和可用容量，并显着延长其使用寿命。

 

从为工业车辆和电动汽车提供动力到实现可再生能源存储和便携式设备，锂离子电池的可靠性和安全性几乎完全取决于其电池管理系统的有效性。

 

随着锂离子技术的不断发展和新的应用，BMS的作用和复杂性只会越来越大，进一步巩固其作为重要核心组件的地位。

 

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