如今，現(xiàn)代電池的功率更加強(qiáng)大，能夠?yàn)槠嚒⒒疖嚿踔溜w機(jī)提供長(zhǎng)時(shí)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(zhǎng)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(jī)到電動(dòng)汽車的大多數(shù)應(yīng)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(guān)鍵作用，同時(shí)確保用戶和負(fù)載安全。
介紹
為了確保電池長(zhǎng)期安全高效運(yùn)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(fù)雜(見(jiàn)圖 1 中的框圖)。第一個(gè)功能是電池監(jiān)控，它實(shí)時(shí)收集大量有關(guān)主要電池參數(shù)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(píng)估電池的健康狀況并檢查是否存在任何異常。
一個(gè)非常重要的功能是控制充電和放電電流，以防止能量過(guò)載或深度放電，因?yàn)檫@可能會(huì)損害電池本身的壽命。溫度也受到嚴(yán)格監(jiān)控，以避免過(guò)熱和可能的爆炸或火災(zāi)。最復(fù)雜的模型涉及將電流獨(dú)立輸送到各個(gè)電池，以確保最佳平衡。電池管理系統(tǒng)還實(shí)施各種安全措施，以防止損壞、故障和故障。它會(huì)在發(fā)生異常分配或充電時(shí)進(jìn)行干預(yù)，在發(fā)生危險(xiǎn)情況時(shí)立即中斷充電或放電。
某些配備特殊電路的型號(hào)甚至可以通過(guò)有線或無(wú)線連接將收集到的各種信息傳輸?shù)狡渌到y(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(jiǎn)單的系統(tǒng)會(huì)監(jiān)控電壓和電流并檢查是否存在任何過(guò)載，而更先進(jìn)的系統(tǒng)則實(shí)現(xiàn)電池平衡、與其他系統(tǒng)通信和高級(jí)診斷的功能。
圖 1：BMS 功能
改善電池管理
電動(dòng)汽車的電子和自動(dòng)化電池管理是當(dāng)今最嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)之一，而最關(guān)鍵的因素之一是選擇集成電路來(lái)實(shí)現(xiàn)許多功能。一個(gè)好的系統(tǒng)必須首先了解電動(dòng)汽車的電池組架構(gòu)。通常，它們由一定數(shù)量的電池組成，這些電池串聯(lián)、并聯(lián)或混合連接，以增加電壓或電流并獲得更多能量。
每個(gè)電池通常都配有一個(gè)電子模塊，用于持續(xù)監(jiān)控電池，系統(tǒng)會(huì)收集所有信息以確保電池的安全運(yùn)行。BMS 執(zhí)行多項(xiàng)任務(wù)，例如精確的熱管理、精確的電壓和電流測(cè)量、各個(gè)電池電量的出色平衡以及一系列系統(tǒng)安全程序。事實(shí)上，BMS 的主要功能如下：
· 電池保護(hù)：確保正常運(yùn)行，并防止在其操作區(qū)域內(nèi)發(fā)生任何意外操作
· 電池監(jiān)控：在充電和放電過(guò)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(dòng)汽車的自主性。
詳細(xì)分析 BMS 的寶貴作用，它執(zhí)行電池欠壓或過(guò)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(huì)損壞，通常在 10.5 V 和 14.8 V 之間。在這種情況下，BMS 會(huì)自動(dòng)阻止電池。此外，它還針對(duì)高連續(xù)和脈沖最大放電電流實(shí)施自動(dòng)保護(hù)。它自動(dòng)保護(hù)系統(tǒng)免受短路的影響，短路很容易引起爆炸和火災(zāi)，并且它對(duì)工作溫度進(jìn)行有效和持續(xù)的檢查，因?yàn)殇囯姵卦?0°C 以下和 55°C 以上無(wú)法充電，在 -20°C 以下和 60°C 以上無(wú)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?yàn)?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(shí)現(xiàn)電池平衡，下一段將深入探討這個(gè)主題。BMS 的一個(gè)有效示例是 STMicroelectronics 生產(chǎn)的電池管理解決方案。它基于 L9963E 集成電路(見(jiàn)圖 2)，可以在單向或雙向配置下提供最多 14 個(gè)串聯(lián)電池的最高精度測(cè)量，并實(shí)現(xiàn)非常復(fù)雜的電池監(jiān)控和診斷功能。
圖 2：意法半導(dǎo)體的 L9963E BMS
另一個(gè) BMS 示例是德州儀器的 BQ76905(見(jiàn)圖 3)，它集成了 2 至 5 個(gè)串聯(lián)電池的電池監(jiān)控功能;包括電壓、溫度、電流和內(nèi)部診斷的保護(hù)電路。它實(shí)現(xiàn)了電池平衡功能，必須控制該功能以限制電流并避免超過(guò)設(shè)備的建議工作溫度。這是通過(guò)正確計(jì)算電池輸入電阻并限制一次可以平衡的電池?cái)?shù)量來(lái)實(shí)現(xiàn)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(shì)，效果最佳，但在生產(chǎn)過(guò)程中，無(wú)法保證標(biāo)稱容量、內(nèi)阻和自放電的型號(hào)完全相同。這些細(xì)微的差異隨著時(shí)間的推移會(huì)使電池單元失去平衡，降低其效率并加速老化。內(nèi)部電池單元串聯(lián)，充電和放電使用相同的能量。如果沒(méi)有適當(dāng)?shù)钠胶庀到y(tǒng)，電池之間的差異會(huì)越來(lái)越大，實(shí)際上會(huì)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(huì)比更強(qiáng)大的電池單元先達(dá)到滿容量。普遍的問(wèn)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(zhǎng)電池的使用壽命，因?yàn)樗鼈儠?huì)對(duì)各個(gè)部分進(jìn)行全面而獨(dú)立的檢查。此功能可最大程度地提高電池總?cè)萘?，并防止局部充電不足或過(guò)度充電。通過(guò)這種技術(shù)，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(jù)所使用的技術(shù)，存在被動(dòng)平衡操作，其中充電過(guò)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(guò)這種方法，通過(guò)將充電最多的電池連接到功率負(fù)載(例如被動(dòng)調(diào)節(jié)器)來(lái)消耗它們的能量。因此，常見(jiàn)的 BMS 系統(tǒng)對(duì)充電最多的電池施加電阻，等待充電量最少的電池達(dá)到相同的能量水平。這種方法效率低，平衡過(guò)程極長(zhǎng)，甚至數(shù)十小時(shí)，雖然非常經(jīng)濟(jì)，但并不能延長(zhǎng)電池壽命。
另一方面，主動(dòng)平衡更為復(fù)雜且成本更高，但可以獲得出色的結(jié)果，因?yàn)樵诔潆姾头烹娭芷谥?，電流?huì)在各個(gè)電池之間獨(dú)立重新分配;此外，它的實(shí)施速度非?？?，有時(shí)甚至只需幾分鐘。這種方法將能量從充電較多的電池傳輸?shù)匠潆娸^少的電池，或?qū)⒊潆婋娏鹘档偷阶銐虻偷乃?，以使充滿電的電池不會(huì)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(huì)產(chǎn)生系統(tǒng)溫度的特別升高。但是，通過(guò)被動(dòng)或主動(dòng)電池平衡，電池組中的每個(gè)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(zhǎng)電池的平均壽命并提供額外的保護(hù)，防止電池因深度放電或過(guò)度充電而損壞。Analog Devices 提供了一個(gè)主動(dòng)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(zhuǎn)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(jié)論
有了合適的 BMS，電池壽命會(huì)顯著增加。它有助于防止因電池使用不當(dāng)(例如過(guò)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(shù)設(shè)計(jì)，則可以執(zhí)行許多附加功能，實(shí)時(shí)控制和監(jiān)控電池的行為。
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