动力电池原理及类型

　　电池之间的个区别是有电池和二次电池。电池是不可充电的，而二次电池是可充电的。每个电池系统都有其化学特性，市场上的动力电池品种也很多。由于本文的重点主要是二次电池，因此表 1 总结了常用电池的重要特性。

　　

　　对环境造成的影响重度镉污染重金属污染相对较低

　　安全好的好的中等的

　　生产成本低的高的

　　表 1：常用电池的特性

　　镍镉 （NiCd） 电池的开发已有一个多世纪的历史。它们以相对便宜和坚固而闻名，并因其高容量、易于维护和低成本而被广泛采用。平均电池电压约为 1.2 V。这些特性使得镍镉电池在电动工具中非常受欢迎。能量密度和比能量相对较低，这是镍镉电池的缺点。此外，镍镉电池还存在所谓的“记忆效应”。，镉的使用导致严重的环境问题。

　　与镍镉电池不同，镍氢电池于1990年推出，具有更高的能量密度和比能量。镍氢电池已广泛应用于笔记本电脑、手机和剃须刀等领域。它们还在记忆效应和金属污染方面带来了改进。与镍镉电池相比，镍金属电池的缺点是自放电率较高，对过度充电的耐受性较差，并且充电过程更加复杂。

　　与镍基电池相比，锂离子电池具有更高的倍率、更高的能量密度和更长的循环寿命。此外，锂离子电池还具有平均工作电压高达 3.6 V 的优势。锂离子电池的自放电率也比镍基电池低得多。它们也不会受到记忆效应的影响，并且与镍基电池相比，提供大电流（以 C 速率表示）的能力较差。过度放电锂离子电池会导致循环寿命缩短。如果不采取进一步的预防措施，锂离子电池过度充电会导致危险情况，甚至可能导致电池火灾或爆炸。因此，一般来说，锂离子电池不允许过度充电和过度放电。

　　根据所使用的正极，LiFePO 4、LiMn 2 O 4、NCM和锂离子电池有多种，在充电速率、安全性、成本、充电、放电和环境影响方面提出了不同的性能水平。应用包括笔记本电脑、手机和电动汽车电池。

　　动力电池的性能对于市场接受度至关重要。例如，当谈到电动汽车时，能量密度是一个关键因素。与镍基电池相比，锂离子电池具有更高的能量密度、功率密度和寿命，未来更有前景。目前正在进行研究以改善电池的不同方面，即成本、充电率和安全性。

　　选择电池时还需要考虑许多其他方面，听取 FAE 或的建议。您可以随时联系艾睿电子当地的 BMS 和电池来帮助您。

　　应防范的危险

　　BMS 用于调节和监控电池的充电和放电。有几个特性需要监控，包括温度、电流、电压、电池类型、高压系统中的隔离、充电状态 （SOC）、健康状态 （SOH） 和极高电流。所有这些监测值对于 BMS 的任务都是必需的。原则上，BMS 适合化 SOC、优化 SOH 并通过将值保持在给定窗口内来保护电池免遭深度放电和过压，如图 1 所示。

　　

　　图 1：锂离子电池 （NMC） 的操作窗口

　　过压和欠压保护（电池平衡）

　　在多节电池中，电量的电池决定了整个系统的容量。如图 1 所示，如果电压低于或高于电池设计的阈值电压，电池将遭受不可逆的损坏。如果电压较低，阳极铜会溶解。如果电压较高，就会发生锂镀层，如果电压升高得更多，电池就会开始放气并着火。

　　电池平衡通常由具有高精度模数转换器的集成电路 （IC） 执行。电池平衡的主要类型有主动平衡和被动平衡。在主动平衡中，单个电池的较高电荷可以传输到另一个单个电池，而在被动平衡中，电荷在电阻器的帮助下消散。各个电池控制器可以执行特定的、特别是节能的内务管理功能，例如功能安全所需的定期电池测量和状态分析，独立于主 BMS 控制器。过压或欠压信号的安全功能会自动触发。

　　过放保护/低压切断

　　过放电保护，也称为低压截止，是许多（通常是所有锂离子）电池组都具有的重要安全功能。它的目的是防止电压降到一定水平以下。

　　电池深度放电的后果是多种多样的，但几乎在所有情况下，它都会导致不可逆转的损坏。例如，生命周期性能降低甚至热失控都可能导致火灾。

　　因此，不同的细胞化学物质具有不同的安全操作范围。一般来说，我们使用 IC 来确定安全工作范围，并为应用中的电池/电池组提供必要的保护。

　　短路保护

　　当电池发生短路时，需要进行过流保护。这会导致极端的放电行为；因此，存在大电流，电池迅速升温并发生热失控事件。

　　电池保护有三种方式：热熔断器、热熔断器和断路器。 BMS 制造商可以根据所需的安全级别在一个系统中使用一项或所有功能。

　　当电池组达到一定温度水平时，热熔断器就会启动。在电动汽车等高压系统中，此功能通常由数字处理器激活，而在低压应用中，可以根据预定义的阈值自行触发此保护。

　　在人类可能受到伤害的环境中，防火和防爆尤为重要。因此，数字触发的高温保险丝发挥了作用。保险丝连接到高压路径的负极或正极或两者上。保险丝被触发作为一道防线，以防止对电池造成重大损坏。

　　在卡车等特殊环境中，服务连续性很重要，我们倾向于使用更复杂和更昂贵的解决方案。基于背靠背SiC MOSFET 的断路器是保护电池组系统在短路情况下免受损坏的一种可能方法。该解决方案的缺点是价格和尺寸。其功能与热熔保险丝相同，但可以在事件发生后打开。

　　过流保护

　　如前所述，电池在电流的帮助下达到平衡。根据电池的充电能力，该电流在 100 mA 和 500 mA 范围内。过流保护是平衡IC不得超过的特定电流限制。大多数情况下，此限制可以单独设置，有助于保护电池免受不可逆转的损坏、火灾或爆炸。

　　电流消耗取决于环境温度，定义阈值时应考虑到这一点。此外，必须将电流水平限制设置为低于实际电池电流消耗水平。一般情况下，该级别的充电附加安全系数为2~3。在电流波动较小的情况下，可能会误触发BMS过流保护。为了防止系统这样做，一些 BMS 具有称为迟滞和数字滤波器的功能。

　　热失控保护

　　根据所使用的化学成分，电池可支持高达 60°C 的温度。热电池的温度会扩散到相邻电池，整个电池组会立即升温。热量会引发连锁反应，通过不同的化学反应释放出易燃气体，从而使整个电池组着火。

　　当达到预定义的温度阈值时，热失控保护就会被触发。它会关闭电池并防止电池进入热失控状态。

　　BMS 的主要作用是保护电池并传达电池状态。需要防范的危险种类繁多。绿色安全工作区域（图 1）说明了电池可使用的有限条件。我们需要确保电池组不会在设计工作范围之外使用。需要复杂而安全的机制来将电池保持在该区域并确保其对人类安全。 BMS 中使用的软件部分是设计的重要组成部分，需要在项目早期阶段予以考虑。 IC、架构、软件和电池组的选择都会产生成本，如果没有深入的了解，就很难做出“”选择。