電池管理系統(tǒng)(BMS)是一個電子系統(tǒng)或電路，監(jiān)測充電，放電，溫度和其他影響電池或電池組狀態(tài)的因素。它用于監(jiān)視和維護電池的健康狀況和容量。

今天的 BMS 設(shè)備是先進的，經(jīng)常會提供彈出式通知，就像你在筆記本電腦或智能手機上經(jīng)歷的那樣。這些系統(tǒng)至少應(yīng)該提供以下:

電池管理系統(tǒng)也可能根據(jù)應(yīng)用程序提供額外的特性。例如，在電動汽車中，一個 BTS 顯示器可以報告在下一次充電前車輛可以安全行駛多少英里或公里。

在本文中，我們將了解電池管理系統(tǒng)如何工作，包括如何計算和監(jiān)視電池壽命。

由 BMS 提供的筆記本電腦需要充電前電池壽命的典型指示。

了解 BMS 電池管理系統(tǒng)可以預測電池的健康狀況和容量，其總體目標是準確地顯示剩余的使用時間。它還經(jīng)常監(jiān)控電池的充電和放電。

一般來說，BMS 從電池接收輸入信號，監(jiān)控信號，在算法中處理，然后生成輸出信號。輸出數(shù)據(jù)包括變化狀態(tài)(SOC)、健康狀態(tài)(SOH)以及故障和狀態(tài)信號。

BMS 可以用于單個電池或多個電池組。下面的電路顯示三個單元串聯(lián)在一起，BMS 測量總電壓，以及每個單元的電壓。它還通過分流電流或霍爾效應(yīng)傳感器監(jiān)測電流。

還有金屬氧化物半導體場效應(yīng)晶體管(mosfet) ，如充電或放電控制場效應(yīng)發(fā)射器(CFETs 和 dfet) ，提供集成的充電和放電能力。這些 mosfet 提供了額外的安全優(yōu)勢，在故障條件下終止充電或負載。在這種情況下，充電器和負載連接到“通信”

安全操作區(qū)

一個 BMS 提供安全和可靠的電池使用。例如，它可以保護電池免受過高或過低的溫度條件，免受過充或過放電。

工作溫度和工作電壓應(yīng)該始終在安全工作區(qū)域(SOA)內(nèi)，如下面的電壓與溫度曲線圖所示。圖中的數(shù)值應(yīng)該始終跟隨 BMS 制造商的數(shù)據(jù)表，因為不同的系統(tǒng)是可用的。

如果電池的溫度超過 SOA 由于過熱或過熱的條件，這是一個超溫條件。它被認為是危險的，因為它可以融化電池和電路。一個塑料電池盒通常會在華氏200度左右開始軟化，在華氏300度以上開始融化。在極端情況下，電池也可能熔化或爆炸。

就像高溫會加速化學反應(yīng)一樣，低溫也會減慢化學反應(yīng)的速度。低溫狀態(tài)可能由低溫或冰凍溫度引起，這也可能影響電池及其提供電力的能力。

如果電壓超過其理想狀態(tài)極限，并且超過 SOA，那么就是過充電，這會損壞電池，使其失去功能。當電壓下降到其狀態(tài)極限以下時，就被認為是欠充電。這四種情況都可能損壞電池，或者有危險。

一個可靠的 BMS 監(jiān)視電路中的每個單元，并提供保護，如果電池的充電超過任何理想狀態(tài)，則終止電池的充電。

健康狀態(tài)

健康狀態(tài)(SOH)是指電池與其理想狀態(tài)相比的容量或電流狀態(tài)。SOH 幫助確定可用或剩余電池壽命的百分比。

在下圖中，電池的容量隨著充電或放電循環(huán)而減少。

如何確定 SOH？

隨著電池壽命的延長，電池的阻抗、電導等參數(shù)會發(fā)生變化，這些參數(shù)可以用來確定電池的 SOH。當這些參數(shù)增加時，電池的性能會隨著溫度的升高而降低。

阻抗是測量電路在施加電壓時對電流的阻抗。電導是物體導電的程度，計算方法是電流的比率。

為了測量 SOH，需要記錄初始阻抗或電導，這通常在制造商的數(shù)據(jù)表中提供。為了測試電池的阻抗或電導，在電池上施加一個已知頻率和振幅為“ e”的小交流電壓，并測量相應(yīng)流動的同相交流電流“ i”。

阻抗為 z = e/i (“ e”是電池上的交流電壓，“ i”是流過電池的交流電流)

電腦為 c = i/e

比如說..。

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

阻抗和電導呈反比關(guān)系，阻抗增大，電導減小。

現(xiàn)在，假設(shè)我們接收到一個測量70毫歐姆的阻抗，但是，一開始，它是50毫歐姆。

阻抗百分比 = (電流阻抗/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% ?，F(xiàn)在，讓我們進行計算 SOH。

該電池的初始容量為1000mah，阻抗增加了40% 。

容量損失 = (阻抗百分比/100) x 總初始容量

= (40/100) x1000 = 400mAh

初始容量損失總額

溫度也可以通過阻抗百分比來測量，假設(shè)初始百分比是40攝氏度。

電流溫度 = (阻抗百分比/100) x 初始溫度 初始溫度

= (40/100) x40 40

= 56 C

在這種情況下，隨著阻抗的增加，電池的溫度也會增加，如下圖所示。

荷電狀態(tài)荷電狀態(tài)(SOC)

表示電池中剩余的電量或能量，并用電池總?cè)萘砍^電池總?cè)萘康闹祦碛嬎?。電荷狀態(tài)可以用百分比表示如下..。

SOC 百分比 = (SOH/總?cè)萘? x100

雖然這個公式提供了 SOC 的百分比，但它并不完全準確，因為它沒有考慮到電池的總?cè)萘繒S著時間的推移而減少這一事實。最終，電池將無法實現(xiàn)100% 的充電。因此，公式中的總?cè)萘烤褪?SOH 值。

如果最初的電池容量是1000mah，而 SOH 現(xiàn)在是500mah，剩余容量是300mah，那么..

有機碳百分比 = (300/500) x100 = 60%

SOC 是如何確定的？

確定充電狀態(tài)最簡單的方法是測量電池的充放電電壓。然而，這并不是測量電池容量的理想方法，因為電池沒有一個線性的充電或放電曲線。所以，并不是每一個讀數(shù)都能被準確地表達出來。

例如，考慮一下下面圖表中的鋰離子電池的充電和放電曲線。充電和放電電壓逐漸改變電池的狀態(tài)，直到最終放電保持穩(wěn)定。

測量電池容量的理想方法是通過庫侖計數(shù)，測量隨時間變化的輸入和輸出電流。它計算了一段時間內(nèi)的放電電流，如果充電電流是相同的方式，則從值中減去它。

總?cè)萘?(放電電流-充電電流)

根據(jù)電池測量系統(tǒng)的不同，有幾種不同的方法可用來測量電流中的放電或充電。這里有一些:

電流分流器: 分流器是一個低歐姆電阻器，用于測量電流，通常，當電流超過測量裝置的范圍時。整個電流流過分流器并產(chǎn)生一個電壓降，然后進行測量。這種方法有一個輕微的功率損失跨電阻和加熱電池。

霍爾效應(yīng): 當器件置于磁場中時，該傳感器測量器件電壓的變化。它消除了電流分流器典型的功率損耗問題，但成本昂貴，無法承受大電流。

巨磁阻效應(yīng)(GMR) : 這些傳感器用作磁場探測器，比霍爾效應(yīng)傳感器更靈敏(也更昂貴)。它們非常精確。

庫侖計數(shù): 如前所述，庫侖涉及測量流入或流出電池的電流量。下面是一個圖表，描繪了在不同時間測量的電流，以確定總放電電流相對于時間。

庫侖測量是相當復雜的，但可以由單片機完成。

白紀龍老師從事電子行業(yè)已經(jīng)有15個年頭，

到目前為止已開發(fā)過的產(chǎn)品超上百款，目前大部分都已經(jīng)量產(chǎn)上市，

從2018年開始花了5年的時間，

潛心錄制了上千集的實戰(zhàn)級電子工程師系列課程，

該課程從元器件到核心模塊到完整產(chǎn)品

老白的初心是“愿天下工程師 不走彎路”

其中，

就有詳細講解MOS管和IGBT的課程

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