如今，現代電池的功率更加強大，能夠為汽車、火車甚至飛機提供長時間續(xù)航和快速充電，且完全安全。專用電路，即電池管理系統(tǒng) ( BMS )，可延長電池使用壽命，并提高其使用和充電安全性。受 BMS 影響最大的電池類型是可充電電池，尤其是鋰離子電池，目前在從智能手機到電動汽車的大多數應用中都有使用。這些智能系統(tǒng)在監(jiān)控、控制和優(yōu)化電池性能和壽命方面發(fā)揮著關鍵作用，同時確保用戶和負載安全。

介紹

為了確保電池長期安全高效運行，需要電池管理系統(tǒng) (BMS)。它執(zhí)行許多功能，其中一些功能非常復雜(見圖 1 中的框圖)。第一個功能是電池監(jiān)控，它實時收集大量有關主要電池參數的信息。其中一些涉及輸出電流、充電電流、電流電壓、溫度和充電狀態(tài)。這些信息用于評估電池的健康狀況并檢查是否存在任何異常。

一個非常重要的功能是控制充電和放電電流，以防止能量過載或深度放電，因為這可能會損害電池本身的壽命。溫度也受到嚴格監(jiān)控，以避免過熱和可能的爆炸或火災。最復雜的模型涉及將電流獨立輸送到各個電池，以確保最佳平衡。電池管理系統(tǒng)還實施各種安全措施，以防止損壞、故障和故障。它會在發(fā)生異常分配或充電時進行干預，在發(fā)生危險情況時立即中斷充電或放電。

某些配備特殊電路的型號甚至可以通過有線或無線連接將收集到的各種信息傳輸到其他系統(tǒng)。如果電池位于操作員難以接近的地方，這種可能性非常有用。最簡單的系統(tǒng)會監(jiān)控電壓和電流并檢查是否存在任何過載，而更先進的系統(tǒng)則實現電池平衡、與其他系統(tǒng)通信和高級診斷的功能。

圖 1：BMS 功能

改善電池管理

電動汽車的電子和自動化電池管理是當今最嚴峻的挑戰(zhàn)之一，而最關鍵的因素之一是選擇集成電路來實現許多功能。一個好的系統(tǒng)必須首先了解電動汽車的電池組架構。通常，它們由一定數量的電池組成，這些電池串聯、并聯或混合連接，以增加電壓或電流并獲得更多能量。

每個電池通常都配有一個電子模塊，用于持續(xù)監(jiān)控電池，系統(tǒng)會收集所有信息以確保電池的安全運行。BMS 執(zhí)行多項任務，例如精確的熱管理、精確的電壓和電流測量、各個電池電量的出色平衡以及一系列系統(tǒng)安全程序。事實上，BMS 的主要功能如下：

· 電池保護：確保正常運行，并防止在其操作區(qū)域內發(fā)生任何意外操作

· 電池監(jiān)控：在充電和放電過程中不斷檢查電池的充電狀態(tài)和健康狀況

· 電池優(yōu)化：保證電池的良好平衡，提高電池的壽命和容量，從而優(yōu)化電動汽車的自主性。

詳細分析 BMS 的寶貴作用，它執(zhí)行電池欠壓或過壓控制。如果在一定電壓范圍之外充電和放電，鋰電池可能會損壞，通常在 10.5 V 和 14.8 V 之間。在這種情況下，BMS 會自動阻止電池。此外，它還針對高連續(xù)和脈沖最大放電電流實施自動保護。它自動保護系統(tǒng)免受短路的影響，短路很容易引起爆炸和火災，并且它對工作溫度進行有效和持續(xù)的檢查，因為鋰電池在 0°C 以下和 55°C 以上無法充電，在 -20°C 以下和 60°C 以上無法正常工作。

BMS 還發(fā)揮著控制最大充電電流的基本作用，因為 LiFePO4 電池的充電速度比鉛酸電池快，但必須始終遵守限制。最后，電池管理系統(tǒng)實現電池平衡，下一段將深入探討這個主題。BMS 的一個有效示例是 STMicroelectronics 生產的電池管理解決方案。它基于 L9963E 集成電路(見圖 2)，可以在單向或雙向配置下提供最多 14 個串聯電池的最高精度測量，并實現非常復雜的電池監(jiān)控和診斷功能。

圖 2：意法半導體的 L9963E BMS

另一個 BMS 示例是德州儀器的 BQ76905(見圖 3)，它集成了 2 至 5 個串聯電池的電池監(jiān)控功能;包括電壓、溫度、電流和內部診斷的保護電路。它實現了電池平衡功能，必須控制該功能以限制電流并避免超過設備的建議工作溫度。這是通過正確計算電池輸入電阻并限制一次可以平衡的電池數量來實現的。

圖 3：德州儀器的 BQ76905 BMS

電池平衡

與傳統(tǒng)電池相比，鋰電池具有許多優(yōu)勢，效果最佳，但在生產過程中，無法保證標稱容量、內阻和自放電的型號完全相同。這些細微的差異隨著時間的推移會使電池單元失去平衡，降低其效率并加速老化。內部電池單元串聯，充電和放電使用相同的能量。如果沒有適當的平衡系統(tǒng)，電池之間的差異會越來越大，實際上會損壞電池。因此，如果您在不平衡的情況下為電池充電，較弱的電池單元會比更強大的電池單元先達到滿容量。普遍的問題恰恰是由于最弱的電池單元的存在。

平衡功能可讓您延長電池的使用壽命，因為它們會對各個部分進行全面而獨立的檢查。此功能可最大程度地提高電池總容量，并防止局部充電不足或過度充電。通過這種技術，BMS 可確保組成電池的所有電池具有相同的充電狀態(tài)。根據所使用的技術，存在被動平衡操作，其中充電過剩的電池使用功率電阻器消散功率(和熱量)，以均衡所有電池的充電狀態(tài)。通過這種方法，通過將充電最多的電池連接到功率負載(例如被動調節(jié)器)來消耗它們的能量。因此，常見的 BMS 系統(tǒng)對充電最多的電池施加電阻，等待充電量最少的電池達到相同的能量水平。這種方法效率低，平衡過程極長，甚至數十小時，雖然非常經濟，但并不能延長電池壽命。

另一方面，主動平衡更為復雜且成本更高，但可以獲得出色的結果，因為在充電和放電周期中，電流會在各個電池之間獨立重新分配;此外，它的實施速度非?？?，有時甚至只需幾分鐘。這種方法將能量從充電較多的電池傳輸到充電較少的電池，或將充電電流降低到足夠低的水平，以使充滿電的電池不會受到損壞，而充電較少的電池可以繼續(xù)充電。因此，自主性得到了提高，并且不會產生系統(tǒng)溫度的特別升高。但是，通過被動或主動電池平衡，電池組中的每個電池都受到監(jiān)控，以保持良好的充電狀態(tài)。

因此，平衡可延長電池的平均壽命并提供額外的保護，防止電池因深度放電或過度充電而損壞。Analog Devices 提供了一個主動電池平衡電路示例，其 LT8584 可如圖 4 所示。它是一款單片反激式轉換器，放電電流為 2.5 A，與 LTC680x 系列電池監(jiān)視器一起使用。

圖 4：Analog Devices 的 LT8584 電池平衡器

結論

有了合適的 BMS，電池壽命會顯著增加。它有助于防止因電池使用不當(例如過度充電或深度放電)而造成的損壞。BMS 是電池的真正大腦，如果采用尖端電子技術設計，則可以執(zhí)行許多附加功能，實時控制和監(jiān)控電池的行為。