电池管理系统是如何工作的?

电池管理系统没有固定的或唯一的一套必须采用的标准。技术设计范围和实现功能通常与以下方面相关:

·电池组的成本、复杂性和尺寸

·电池的使用以及任何安全、寿命和保修问题

·各种政府法规的认证要求，如果功能安全措施不到位，成本和处罚是最重要的

BMS有许多设计功能，其中电池组保护管理和容量管理是两个基本功能。我们将在这里讨论这两个特性的工作原理。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在SOA之外的使用中损坏，以及热保护，这涉及被动和/或主动温度控制，以维持或将电池组带入其SOA。

电气管理保护:电流

监测电池组电流和电池或模块电压是电气保护的途径。任何电池单元的电SOA都受电流和电压的约束。图1展示了典型的锂离子电池SOA，设计良好的BMS将通过防止超出制造商电池额定的操作来保护电池组。在许多情况下，为了延长电池寿命，可以应用进一步的降额来保持在SOA安全区域内。

锂离子电池在充电和放电时的电流限制不同，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，这可能是在考虑负载条件的突然变化之前;例如，电动汽车的突然加速。BMS可以通过集成电流和δ时间后的峰值电流监测来决定减少可用电流或完全中断包电流。这使得BMS对极端电流峰值具有近乎瞬时的灵敏度，例如没有引起任何常驻熔断器注意的短路条件，但也可以容忍高峰值需求，只要它们不太长时间。

电气管理保护:电压

图2显示，锂离子电池必须在一定的电压范围内工作。这些SOA边界最终将由所选锂离子电池的内在化学性质和电池在任何给定时间的温度决定。此外，由于任何电池组都会经历大量的电流循环，由于负载需求而放电，并从各种能源中充电，因此通常会进一步限制这些SOA电压限制，以优化电池寿命。BMS必须知道这些限制是什么，并将根据接近这些阈值来指挥决策。例如，当接近高压极限时，BMS可以要求逐渐减小充电电流，或者在达到极限时要求完全终止充电电流。然而，这个限制通常伴随着额外的固有电压迟滞考虑，以防止关于关闭阈值的控制颤振。另一方面，当接近低电压极限时，BMS将要求关键的主动干扰负载降低其电流需求。在电动车辆的情况下，这可以通过减少可用于牵引电机的允许转矩来实现。当然，BMS必须将驾驶员的安全考虑放在首位，同时保护电池组以防止永久性损坏。

热管理保护:温度

从表面上看，锂离子电池的工作温度范围很宽，但由于化学反应速率明显减慢，电池的整体容量在低温下会下降。就低温下的性能而言，它们确实比铅酸电池或镍氢电池表现得更好;然而，温度管理是非常必要的，因为在0°C(32°F)以下充电会产生物理问题。在亚冷冻充电过程中，阳极会出现金属锂镀层现象。这是永久性的损伤，不仅会导致容量降低，而且如果受到振动或其他压力条件的影响，电池更容易失效。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、性能目标、BMS的设计标准和产品单元，其中可能包括考虑目标地理区域(例如阿拉斯加与夏威夷)。无论加热器类型如何，通常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中获取能量更有效。然而，如果电加热器有一个适度的电流消耗，能量从主电池组可以虹吸来加热自己。如果采用热液压系统，则使用电加热器加热泵送并分布在整个包装组件中的冷却剂。

毫无疑问，BMS设计工程师有他们设计行业的技巧来将热能渗透到电池组中。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。虽然不如直接加热有效，但无论如何都可以利用它。冷却对于最小化锂离子电池组的性能损失尤为重要。例如，可能给定的电池在20°C下工作最佳;如果包装温度升高到30°C，

容量管理

最大限度地提高电池组容量可以说是BMS提供的最重要的电池性能特征之一。如果不进行这种维护，电池组最终可能会变得无用。问题的根源在于电池组“堆栈”(电池的串联阵列)不是完全相等的，本质上有轻微的泄漏或自放电率不同。漏液不是制造商的缺陷，而是电池的化学特性，尽管它可能受到细微制造工艺变化的统计影响。最初，一个电池组可能有非常匹配的电池，但随着时间的推移，电池与电池之间的相似性进一步降低，这不仅是由于自放电，还受到充放电循环、高温和一般日历老化的影响。理解了这一点后，回想一下前面的讨论，即锂离子电池的性能非常好，但如果在严格的SOA之外运行，则可能相当不宽容。我们之前了解到锂离子电池不能很好地处理过充问题，因此需要电气保护。一旦充满电，它们就不能接受更多的电流，任何额外的能量都会转化为热量，电压可能会迅速上升，甚至可能达到危险的水平。这对电池来说是不健康的情况，如果继续下去，可能会造成永久性损坏和不安全的操作条件。

电池组串联电池阵列决定了整个电池组的电压，相邻电池之间的不匹配在试图给任何电池组充电时造成了一个困境。图3显示了为什么会这样。如果一个人有一组完美平衡的电池，所有的都很好，因为每个电池都将以相同的方式充电，并且当达到4.0电压截止阈值时，充电电流可以被切断。然而，在不平衡的情况下，顶部电池会提前达到其充电极限，并且在其他底层电池充电到满容量之前需要终止充电电流。

BMS是什么介入并挽救了一天，或电池组在这种情况下。为了说明这是如何工作的，需要解释一个关键的定义。电池或模块在给定时间的充电状态(SOC)与完全充电时相对于总电量的可用电量成正比。因此，50% SOC的电池意味着它是50%的充电，这类似于燃料计的优点数字。BMS容量管理就是平衡封装组件中每个堆栈上SOC的变化。由于SOC不是一个可直接测量的量，因此可以通过各种技术来估算，而平衡方案本身一般分为被动和主动两大类。主题有很多变化，每种类型都有优点和缺点。由BMS设计工程师决定哪一种最适合给定的电池组及其应用。被动平衡是最容易实现的，也是解释一般平衡概念的方法。被动方法允许堆栈中的每个单元具有与最弱的单元相同的充电容量。使用相对较低的电流，它在充电周期中从高SOC电池中穿梭少量能量，以便所有电池充电到最大SOC。图4说明了BMS是如何完成这一任务的。它监视每个电池，并利用一个晶体管开关和一个适当大小的放电电阻与每个电池并联。当BMS感知到一个给定的电池接近其电荷极限时，它会以自上而下的方式将多余的电流引导到它周围的下一个电池。

前后的平衡流程端点如图5所示。总之，BMS通过以下方式之一允许电池组中的电池或模块看到与电池组电流不同的充电电流来平衡电池组:

·从电量最大的电池中去除电荷，这为额外的充电电流提供了空间，以防止过度充电，并使电量较少的电池获得更多的充电电流

·将部分或几乎全部充电电流重新定向到电量最大的电池周围，从而允许电量较小的电池在更长的时间内接受充电电流.