电池管理系统你了解多少？

Posted 2022-04-20 回映电子

电池管理系统(BMS)是一个电子系统或电路，监测充电，放电，温度和其他影响电池或电池组状态的因素。它用于监视和维护电池的健康状况和容量。

今天的 BMS 设备是先进的，经常会提供弹出式通知，就像你在笔记本电脑或智能手机上经历的那样。这些系统至少应提供:

• 电池寿命和整体健康状况(健康状况)
• 温度和状态监测(安全操作区)
• 电压监视(充电状态)
• 充电时间

电池管理系统也可能根据应用程序提供额外的特性。例如，在电动汽车中，一个 BTS 显示器可以报告在下一次充电前车辆可以安全行驶多少英里或公里。

在本文中，我们将了解电池管理系统如何工作，包括如何计算和监视电池寿命。

由 BMS 提供的笔记本电脑需要充电前电池寿命的典型指示。

了解 BMS 电池管理系统可以预测电池的健康状况和容量，其总体目标是准确地显示剩余的使用时间。它还经常监控电池的充电和放电。

一般来说，BMS 从电池接收输入信号，监控信号，在算法中处理，然后生成输出信号。输出数据包括变化状态(SOC)、健康状态(SOH)以及故障和状态信号。

BMS 可以用于单个电池或多个电池组。下面的电路显示三个单元串联在一起，BMS 测量总电压，以及每个单元的电压。它还通过分流电流或霍尔效应传感器监测电流。

还有金属氧化物半导体场效应晶体管(mosfet) ，如充电或放电控制场效应发射器(CFETs 和 dfet) ，提供集成的充电和放电能力。这些 mosfet 提供了额外的安全优势，在故障条件下终止充电或负载。在这种情况下，充电器和负载连接到“通信”

安全操作区

一个 BMS 提供安全和可靠的电池使用。例如，它可以保护电池免受过高或过低的温度条件，免受过充或过放电。

工作温度和工作电压应该始终在安全工作区域(SOA)内，如下面的电压与温度曲线图所示。图中的数值应该始终跟随 BMS 制造商的数据表，因为不同的系统是可用的。

如果电池的温度超过 SOA 由于过热或过热的条件，这是一个超温条件。它被认为是危险的，因为它可以融化电池和电路。一个塑料电池盒通常会在华氏200度左右开始软化，在华氏300度以上开始融化。在极端情况下，电池也可能熔化或爆炸。

就像高温会加速化学反应一样，低温也会减慢化学反应的速度。低温状态可能由低温或冰冻温度引起，这也可能影响电池及其提供电力的能力。

如果电压超过其理想状态极限，并且超过 SOA，那么就是过充电，这会损坏电池，使其失去功能。当电压下降到其状态极限以下时，就被认为是欠充电。这四种情况都可能损坏电池，或者有危险。

一个可靠的 BMS 监视电路中的每个单元，并提供保护，如果电池的充电超过任何理想状态，则终止电池的充电。

健康状态

健康状态(SOH)是指电池与其理想状态相比的容量或电流状态。SOH 帮助确定可用或剩余电池寿命的百分比。

在下图中，电池的容量随着充电或放电循环而减少。

如何确定 SOH？

随着电池寿命的延长，电池的阻抗、电导等参数会发生变化，这些参数可以用来确定电池的 SOH。当这些参数增加时，电池的性能随着温度的升高而降低。

阻抗是测量电路在施加电压时对电流的阻抗。电导是物体导电的程度，计算方法是电流的比率。

为了测量 SOH，需要记录初始阻抗或电导，这通常在制造商的数据表中提供。为了测试电池的阻抗或电导，在电池上施加一个已知频率和振幅为“ e”的小交流电压，并测量相应流动的同相交流电流“ i”。

阻抗为 z = e/i (“ e”是电池上的交流电压，“ i”是流过电池的交流电流)

电导为 c = i/e

比如说..。

E = 0.0024 v，i = 0.0033 a z = 0.0024/0.0033 = 0.072欧姆

阻抗和电导呈反比关系，阻抗增大，电导减小。

现在，假设我们接收到一个测量70毫欧姆的阻抗，但是，一开始，它是50毫欧姆。

阻抗百分比 = (电流阻抗/初始阻抗) x100

= (70/50) x100

增加阻抗百分比 = 阻抗百分比 -100

= 140-100 = 40%

阻抗增加了40% 。现在，让我们计算 SOH。

该电池的初始容量为1000mah，阻抗增加了40% 。

容量损失 = (阻抗百分比/100) x 总初始容量

= (40/100) x1000 = 400mAh

初始容量损失总额

温度也可以通过阻抗百分比来测量，假设初始百分比是40摄氏度。

电流温度 = (阻抗百分比/100) x 初始温度 + 初始温度

= (40/100) x40 + 40

= 56 C

在这种情况下，随着阻抗的增加，电池的温度也会增加，如下图所示。

荷电状态荷电状态(SOC)

表示电池中剩余的电量或能量，并用电池剩余容量超过电池总容量的值来计算。电荷状态可以用百分比表示如下..。

SOC 百分比 = (SOH/总容量) x100

虽然这个公式提供了 SOC 的百分比，但它并不完全准确，因为它没有考虑到电池的总容量会随着时间的推移而减少这一事实。最终，电池将无法实现100% 的充电。因此，公式中的总容量就是 SOH 值。

如果最初的电池容量是1000mah，而 SOH 现在是500mah，剩余容量是300mah，那么..

有机碳百分比 = (300/500) x100 = 60%

SOC 是如何确定的？

确定充电状态最简单的方法是测量电池的充放电电压。然而，这并不是测量电池容量的理想方法，因为电池没有一个线性的充电或放电曲线。所以，并不是每一个读数都能被准确地表达出来。

例如，考虑一下下面图表中的锂离子电池的充电和放电曲线。充电和放电电压逐渐改变电池的状态，直到最终放电保持稳定。

测量电池容量的理想方法是通过库仑计数，测量随时间变化的输入和输出电流。它计算了一段时间内的放电电流，如果充电电流是相同的方式，则从值中减去它。

总容量-(放电电流-充电电流)

根据电池测量系统的不同，有几种不同的方法可用来测量电流中的放电或充电。这里有一些:

电流分流器: 分流器是一个低欧姆电阻器，用于测量电流，通常，当电流超过测量装置的范围时。整个电流流过分流器并产生一个电压降，然后进行测量。这种方法有一个轻微的功率损失跨电阻和加热电池。

霍尔效应: 当器件置于磁场中时，该传感器测量器件电压的变化。它消除了电流分流器典型的功率损耗问题，但成本昂贵，无法承受大电流。

巨磁阻效应(GMR) : 这些传感器用作磁场探测器，比霍尔效应传感器更灵敏(也更昂贵)。它们非常精确。

库仑计数: 如前所述，库仑涉及测量流入或流出电池的电流量。下面是一个图表，描绘了在不同时间测量的电流，以确定总放电电流相对于时间。

库仑测量是相当复杂的，但可以由单片机完成。

参考资料:

• ​​https://batteryuniversity.com/learn/article/how_to_monitor_a_battery​​
• ​​https://www.mpoweruk.com/soh.htm​​
• ​​https://www.mpoweruk.com/testing.htm#impedance​​
• ​​https://www.lithiumpowerinc.com/custom-lithium-battery-packs.htm​​

白纪龙老师从事电子行业已经有15个年头，

到目前为止已开发过的产品超上百款，目前大部分都已经量产上市，

从2018年开始花了5年的时间，

潜心录制了上千集的实战级电子工程师系列课程，

该课程从元器件到核心模块到完整产品

老白的初心是“愿天下工程师 不走弯路”

其中，

就有详细讲解MOS管和IGBT的课程