锂离子电池:基础及应用( 电池管理系统BMS)
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发布时间：2024-09-07 01:45
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时间：2024-09-09 13:56
电池管理系统的核心功能是测量电芯电压、温度和电池电流。典型电芯单元的标称电压约为3.6 V，最大充电结束电压为4.2 V，最小放电结束电压为2.5 V。放电电压低于2.5 V会导致不可逆损坏，如容量损失和自放电增加。电压高于4.2 V则可能导致电池自燃，带来安全隐患。容量损失主要发生在高温和过电压条件下，适当的使用下，一块标准电池可以循环使用500至1000次，在损耗20%初始容量前保持良好性能。
通过监测电池电压、电流和温度，BMS能够预测电池的充电状态（SOC）和健康状态（SOH）。SOC描述电池相对于最大容量的当前充电状态，SOH则描述电池相对于新电池的当前健康状态。这两个参数对于确保车辆功能状态（SOF）至关重要。对于驾驶员而言，了解电池是否足够支持行程或是否需要提前充电是至关重要的信息。BMS计算这些参数的三种方法包括电学模型、电化学模型和卡尔曼滤波方法。
电池管理系统由多个组件组成。电池模组包含多个电芯，并负责监控电芯电压和温度，上传相关数据至控制单元，同时执行电芯间的均衡，减少接线成本。控制单元计算SOC和SOH，控制充电均衡，并与汽车主机通信，计算SOF。高侧开关HS接触器在被动状态下隔离电池，防止损失或危险，同时在极端故障时隔离系统。电流传感器直接测量电池电流，并采用两个独立系统以确保安全。温度管理确保电池在最佳温度下工作，对于均匀老化至关重要，直接影响电池的使用寿命、可用性和安全性。
在大量电芯充电过程中，必须防止个别电芯过度充电。BMS监控每个电芯，识别不同电芯的特性差异。在充电过程中，可能存在某个电芯比其他电芯更早达到最大电压的情况，导致过电压或充电过程过早中断，造成部分电芯不完全充电，导致电池容量损失。通过高精度测量和监控，采用专用的电池监控电流（CSC）对SOC和SOH进行估算。商用BMS使用不同的电池电压监测方法，每种方法都有其优点和缺点。电芯电压由模数转换器（ADC）测量，连接至电池包的每个电芯。
电芯监控和充电均衡是BMS的重要组成部分。电池管理系统通过监控电芯电压、电流和温度，实时调整充电过程，防止过度充电，确保电池性能。充电均衡是为了改善电池性能，通常采用被动均衡或主动均衡方法。被动均衡通过电阻将剩余能量转化为热量，限制最大电流，但不能改善放电过程，随着时间推移，单元间容量差异增大。主动均衡方法通过DC-DC转换器在电池之间传递电荷，提高补偿电流，实现更有效的电荷转移，减少能量损失，提高电池性能。
电池内通信接口确保电池组中数据的同步传输。错误记录，如电池电压增加、通信中断、采样线断开、电池温度增加等，都会被记录并传输至主控制器。现代动力电池使用两种主要方法在模块和中央控制单元之间交换数据。星形布线为每个模块安装电隔离数据发射机，垂直通信接口为大量电芯监控电路提供替代方案。数据传输必须具有冗余以确保正常运行，差分信号可以保持通信并防止电磁干扰。
电池控制单元评估所有测量数据，并与更高级别的控制单元或电池充电器交换电池特定信息。它计算SOC和SOH，处理电池的电压、电流和温度数据，控制电池充电均衡，确保电池温度分布均匀。现代微控制器设计适用于这一任务，集成了两个处理器核心、锁步模式监控、纠错和全面的BIST（内置自检），并在安全相关的汽车应用中进行了尝试和测试。
