电池管理系统(BMS)的保护作用.docx

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1、电池管理系统（BMS柏勺保护作用目录1 .前言12 .电池管理系统的重要性23 .电池管理系统的保护作用24 .电池管理系统的优点35 .电气管理保护：电压（欠压或者过压）46 .热管理保护：温度（极端温度）57 .短路保护：防止短路68 .电池的容量管理71 .前言电池管理系统（BMS）是监控和调节电池充电和放电的电子控制电路。待监控的电池特性包括检测电池类型、电压、温度、容量、充电状态、功耗、剩余工作时间、充电周期等特性。电池管理系统和电池监控系统都使用连接到电池模块中的电池的传感器来收集温度、电压和电流数据。将算法应用于这些数据，以确定在任何给定时间电池中有多少能量可供使用，并且可以与其

2、他ESS控制系统（包括安全系统、能源管理系统和储能应用）共享这些数据。这些电池数据的消费者使用这些信息来执行他们的任务，并确保他们的操作不会导致安全问题或电池损坏。比如说，电流限制可防止电源（通常是电池充电器）和负载（例如逆变器）对电池过度消耗或过度充电。这可以保护电池组免受电池电压过高或过低的影响，从而有助于延长电池的使用寿命。BMS还监控电池的剩余电量。它持续跟踪进入和离开电池组的能量并监控电池电压。它使用这些数据来了解电池何时耗尽并关闭电池。这就是为什么锂离子电池不会像铅酸电池那样表现出耗尽的迹象，而只是关闭。下面，我们来讲述BMS为何如此重要。电池管理系统对于保护电池的健康和寿命至关重

3、要，但从安全角度来看更为重要。锂离子电池中的液体电解质高度易燃。因此，这些电池需要始终在安全范围内以最佳状态运行，以防止火灾。2 .电池管理系统的重要性功能安全在BMS中至关重要。在充电和放电操作期间，防止受监控的任何电池或模块的电压、电流和温度超过定义的SoA限值至关重要。如果长时间超出限制，不仅可能会损害昂贵的电池组，而且可能会出现危险的热失控情况。此外，还严格监控较低的电压阈值限制，以保护锂离子电池和功能安全。如果锂离子电池保持在这种低电压状态，铜枝晶最终可能会在阳极上生长，这可能导致自放电率升高并引发可能的安全问题。锂离子供电系统的高能量密度的代价是电池管理错误的空间很小。得益于BMS

4、和锂离子电池的改进，这是当今最成功、最安全的电池化学材料之一。电池组的性能是BMS的第二重要特征，其中涉及电气和热管理。为了在电气上优化整体电池容量，电池组中的所有电池都需要保持平衡，这意味着整个组件中相邻电池的SOC大致相等。这一点非常重要，因为不仅可以实现最佳电池容量，而且有助于防止整体退化并减少因对弱电池过度充电而产生的潜在热点。锂离子电池应避免在低于低电压限制的情况下放电，因为这可能导致记忆效应和显着的容量损失。电化学过程对温度非常敏感，电池也不例外。当环境温度下降时，容量和可用电池能量会显着下降。因此，BMS可以使用驻留在电动汽车电池组的液体冷却系统上的外部串联加热器，或者打开安装在

5、直升机或其他设备内的电池组模块下方的常驻加热器板。此外，由于对寒冷的锂离子电池充电不利于电池寿命性能，因此首先充分升高电池温度非常重要。大多数锂离子电池在低于5时无法快速充电，并且在低于OC时根本不应该充电。为了在典型操作使用期间获得最佳性能，BMS热管理通常确保电池在狭窄的宜居操作区域内操作（例如30-35C）这可以保障性能、延长使用寿命并打造健康、可靠的电池组。3 .电池管理系统的保护作用BMS设计特点很多，其中电池组保护管理和容量管理是两个基本特点。我们将在这里讨论这两个功能如何工作。电池组保护管理有两个关键领域：电气保护，这意味着不允许电池因在其SoA之外使用而损坏；以及热保护，这涉及

6、被动和/或主动温度控制，以维持电池组或使其进入其SOA。图电气管理保护：电流（欠流或者过流）简单的讲，就是通过监测电池组电流和电池或模块电压来实现电气保护的途径。任何电池单元的电气SoA都受到电流和电压的约束。精心设计的BMS将通过防止超出制造商电池额定值的操作来保护电池组。在许多情况下，为了延长电池寿命，可以进一步降额以驻留在SOA安全区内。锂离子电池的充电电流限制与放电电流限制不同，两种模式都可以处理更高的峰值电流，尽管时间很短。电池制造商通常会指定最大连续充电和放电电流限制以及峰值充电和放电电流限制。提供电流保护的BMS肯定会施加最大连续电流。然而，这可能会提前考虑到负载条件的突然变化；

7、例如，电动汽车突然加速。BMS可以通过对电流进行积分并在增量时间后进行峰值电流监控，决定减少可用电流或完全中断电池组电流。这使得BMS对极端电流峰值具有近乎瞬时的敏感性，例如未引起任何驻留保险丝注意的短路情况，但也可以容忍高峰值需求，只要它们不过长长的。4 .电池管理系统的优点整个电池储能系统（通常称为BESS）可以由数十、数百甚至数千个锂离子电池组成，根据应用的不同，这些锂离子电池战略性地封装在一起。这些系统的额定电压可能低于IOOV,但可能高达800V,电池组供电电流高达30OA或更高。高压包的任何管理不善都可能引发危及生命的灾难性灾难。因此，BMS对于确保安全运行绝对至关重要。BMS的优

8、势可概括如下。功能安全，毫无疑问，对于大型锂离子电池组来说，这是特别谨慎和必要的。但众所周知，即使在笔记本电脑中使用的较小格式也会着火并造成巨大损失。使用锂离子供电系统的产品的用户的人身安全几乎没有电池管理错误的余地。寿命和可靠性，电池组保护管理（电气和热学）可确保所有电池均在声明的SOA耍求范围内使用。这种微妙的监督可确保电池免受过度使用和快速充电和放电循环的影响，并不可避免地形成一个稳定的系统，有可能提供多年的可靠服务。性能和范围，BMS电池组容量管理采用电池间平衡来均衡电池组组件中相邻电池的SOC,从而实现最佳电池容量。如果没有这种BMS功能来考虑自放电、充电/放电循环、温度影响和一般老

9、化的变化，电池组最终可能会变得毫无用处。诊断、数据收集和外部通信，监督任务包括对所有电池单元的连续监控，其中数据记录本身可用于诊断，但通常用于计算任务以估计组件中所有电池单元的SOC。该信息用于平衡算法，但可以共同转发到外部设备和显示器，以指示可用的驻留能量，根据当前使用情况估计预期范围或范围/寿命，并提供电池组的健康状态。成本和保修减少，将BMS引入BESS会增加成本，而且电池组价格昂贵且存在潜在危险。系统越复杂，安全要求越高，从而需要更多的BMS监督。但BMS在功能安全、使用寿命和可靠性、性能和范围、诊断等方面的保护和预防性维护可保证降低总体成本，包括与保修相关的成本。锂离子电池技术有很多

10、好处。但必须对锂离子电池单元和状况进行监控、管理和平衡，以确保安全性以及最佳的寿命和效率。电池管理系统是电池组中监控所有这些状况的主要组件。最重要的是，它可以让您的电池安全、最佳地运行，提供电量。5 .电气管理保护：电压（欠压或者过压）我们在对锂离子电池进行充放电的过程中，经常会出现过度充电（电池电压过高）或过度放电（电池电压过低）的情况，这时，就会非常容易造成电池组的损坏。而电池保护管理系统（BMS）有助于防止欠压和过压情况，从而避免电池损坏。首先，我们要求锂离子电池必须在一定的电压范围内运行。这时，SOA边界最终将由所选锂离子电池的固有化学性质以及任何给定时间的电池温度决定。此外，由于任何

11、电池组都会经历大量的电流循环、负载需求引起的放电以及各种能源的充电，因此这些SOA电压限制通常会进一步受到限制，以优化电池寿命。BMS必须知道这些限制是什么，并将根据与这些阈值的接近程度来发出决策。例如，当接近高电压极限时，BMS可以请求逐渐减小充电电流，或者如果达到极限则可以请求完全终止充电电流。然而，此限制通常伴随着额外的固有电压滞后考虑，以防止有关关断阈值的控制抖动。另一方面，当接近低电压限制时，BMS将请求关键电源违规负载降低其电流需求。在电动车辆的情况下，这可以通过减少牵引电机可用的允许扭矩来实现。当然，BMS必须将驾驶员的安全放在首位，同时保护电池组，防止永久性损坏。6 .热管理保

12、护：温度（极端温度）锂离子电池保持相对的安全性和稳定性的其中一个重要的因素取决于温度维持在一定范围内。如果任一端的温度超过临界水平，比如说，温度过高，热失控就会发生，这可能会导致无法扑灭的火灾。极端的低温天气，电池的容量会降低，而在这样极端的低温天气条件下对电池进行充放电，锂电池容易出现析锂现象，造成整个电池的容量永久性降低。BMS监控温度，有时控制冷却风扇（对于电动汽车）以帮助维持适当的条件，有时，可能通过空调系统（可能是加热管）调节电池组周围的温度，维持温度在合理的范围内。如果需要保护电池，它甚至会关闭电池。从表面上看，锂离子电池似乎具有很宽的温度工作范围，但总体电池容量在低温下会降低，因

13、为化学反应速率显着减慢。就低温能力而言，它们的性能确实比铅酸或锲氢电池好得多；然而，温度管理非常重要，因为在低于0C（32F）的温度下充电会产生物理问题。低温充电时阳极上会出现金属锂镀层现象。这是永久性损坏，不仅会导致容量降低，而且如果受到振动或其他压力条件，电池更容易发生故障。BMS可以通过加热和冷却来控制电池组的温度。实现的热管理完全取决于电池组的尺寸和成本以及性能目标、BMS的设计标准和产品单元，其中可能包括对目标地理区域的考虑。无论加热器类型如何，从外部交流电源或用于在需要时操作加热器的替代常驻电池获取能量通常更有效。然而，如果电加热器的电流消耗适中，则可以吸取主电池组的能量来加热自身

14、。如果采用热液压系统，则使用电加热器来加热被泵送并分布在整个电池组组件中的冷却剂。BMS设计工程师无疑拥有将热能注入电池组的设计技巧。例如，可以打开BMS内部专用于容量管理的各种电力电子设备。虽然效率不如直接加热，但无论如何都可以利用。冷却对于最大限度地减少锂离子电池组的性能损失尤为重要。例如，也许给定的电池在20C时最佳运行；如果电池组温度升高至30,其性能效率可能会降低多达20%。如果电池组在45C（II3F）的温度下连续充电和充电，性能损失可能会高达50%。如果持续暴露在过度发热的环境中，特别是在快速充电和放电循环期间，电池寿命也会受到过早老化和退化的影响。冷却通常通过被动或主动两种方法

15、来实现，并且两种技术都可以采用。被动冷却依靠气流的运动来冷却电池。就电动汽车而言，这意味着它只是在路上行驶。然而，它可能比看起来更复杂，因为可以集成风速传感器来战略性地自动调整偏转气坝，以最大限度地提高气流。采用主动温控风扇可以在低速或车辆停止时提供帮助，但所有这些只能使电池组与周围环境温度保持平衡。如果遇到炎热的天气，这可能会增加初始包装温度。热液压主动冷却可以设计为补充系统，通常使用具有指定混合比的乙二醇冷却剂，通过电动马达驱动泵通过管道/软管、分配歧管、交叉流热交换器（散热器）进行循环和冷却板位于电池组组件上。BMS监控整个电池组的温度，并打开和关闭各种阀门，将整个电池的温度保持在较窄的

16、温度范围内，以确保最佳的电池性能。7 .短路保护：防止短路常见的短路包含外部造成起的短路和内部造成的短路。其中，外部短路包含机械损伤、液体渗漏、高温环境等。机械损伤，机械损伤是指外力对电池造成物理上的损伤，如挤压、撞击等。当外力作用于电池时，正负极之间可能会发生接触，导致短路。液体渗漏，液体渗漏是指在使用的过程中，由于某些原因导致液体导电介质泄漏到正负极或同极之间，使得两个极端发生直接接触而产生短路。液体渗漏可能由于材料缺陷、设计不合理或者使用条件恶劣等多种原因引起的。高温环境，高温环境会导致电池内部的化学反应加速，同时也会使得电池内部的材料受热发生膨胀，从而增加了正负极之间或同极之间的接触面积，引起短路。内部短路，则包含制造过程中产生的金属颗粒，这些杂质可能在使用过程中移动到正负极之间，导致短路；同时，电池充放电时，电池内部产