簡(jiǎn)介

電池管理包括監(jiān)控、保護(hù)和控制電池等關(guān)鍵任務(wù)。對(duì)多個(gè)電池串聯(lián)或并聯(lián)的可充電電池組而言，電池管理尤為重要。電池管理系統(tǒng) (BMS) 由電池監(jiān)控器、微控制器 (MCU) 和電量計(jì)組成，它可以保護(hù)系統(tǒng)和電池，延長(zhǎng)系統(tǒng)使用壽命，從而確保系統(tǒng)安全、可靠并以最佳狀態(tài)運(yùn)行（見圖1）。

本文將簡(jiǎn)要介紹電池單元的一些關(guān)鍵物理特性和電氣特性，這些特性將影響電池的性能、行為、限制以及應(yīng)用。具體而言，本文重點(diǎn)關(guān)注的重要參數(shù)包括：電池化學(xué)成分、電壓、電流、容量、能量密度和功率密度（見圖 2）。這些參數(shù)形成了電池管理系統(tǒng)（BMS）的規(guī)格參數(shù)，設(shè)計(jì)人員在設(shè)計(jì)解決方案時(shí)必須遵循。

電池化學(xué)特性

考慮電池的化學(xué)成分對(duì)BMS的設(shè)計(jì)非常重要。因?yàn)槊糠N電池都有其獨(dú)特的特性，這些特性會(huì)影響 BMS 監(jiān)控和保護(hù)電池組的方式。不同應(yīng)用對(duì)尺寸、功率、安全性、可靠性、使用壽命和成本有不同的要求，不同的化學(xué)成分將適用于不同的應(yīng)用?？紤]電池的化學(xué)成分對(duì)BMS的設(shè)計(jì)非常重要。因?yàn)槊糠N電池都有其獨(dú)特的特性，這些特性會(huì)影響 BMS 監(jiān)控和保護(hù)電池組的方式。不同應(yīng)用對(duì)尺寸、功率、安全性、可靠性、使用壽命和成本有不同的要求，不同的化學(xué)成分將適用于不同的應(yīng)用。

電池化學(xué)成分決定了電池電壓，也決定了其局限性和最佳工作條件，例如電壓、電流、溫度、電阻和容量等條件。例如，鉛酸電池的標(biāo)稱電壓為2.2V，而鋰離子電池的標(biāo)稱電壓約為3.7V。 此外，電池化學(xué)成分還會(huì)影響最佳充電方法和 電池充電器 IC 的選擇。

下面列出了一些電池化學(xué)成分及其常見的應(yīng)用：

1.鋰離子 (Li-ion): 鋰離子電池能量密度高且可充電次數(shù)高達(dá) 2,000 次，在便攜式電子產(chǎn)品中很常見。但如果設(shè)計(jì)或管理不當(dāng)，鋰離子電池會(huì)迅速退化，甚至著火。

2.鉛酸電池: 鉛酸電池在汽車和備用電源系統(tǒng)中很常見，它們比鋰離子電池更安全。但鉛酸電池的能量密度較低，通常只能充電 200 至 300 次。

3.鎳氫電池（NiMH）: 與鉛酸和鎳鎘電池相比，鎳氫電池具有相對(duì)較高的能量密度以及安全性能，在混合動(dòng)力汽車中比較常見。鎳氫電池最多只能充電 500 次。

4.鎳鎘（NiCd）電池: 由于安全性較高，鎳鎘電池常用于電動(dòng)工具、攝像頭、遙控器和醫(yī)療設(shè)備。與鉛酸電池類似，鎳鎘電池的能量密度也較低，但可充電次數(shù)高達(dá) 1,000 次。

表 1 對(duì)這些電池的化學(xué)成分進(jìn)行了總結(jié)。

電池組電壓 (VBATT) 和電池組電流 (IBATT)

電池電壓 (VCELL) 是指電池端子（正極和負(fù)極）之間產(chǎn)生的電勢(shì)差，電池電流 (ICELL) 則是單個(gè)電池單元能夠產(chǎn)生的連續(xù)電流。

電池電壓和電流是評(píng)估基本電池狀態(tài)（例如充電狀態(tài) SOC，相對(duì)于電池容量對(duì)其能量的一種度量）時(shí)的關(guān)鍵參數(shù)。測(cè)量電池電壓和電流則是對(duì)電池管理系統(tǒng)的關(guān)鍵要求。

電池組是指組合在一起以滿足最終應(yīng)用能量和功率需求的一組電池。對(duì)任何一個(gè)特定的電池單元來(lái)說(shuō)，首先要確定的就是如何組合和配置，以提供必要的電流和電壓。

果一個(gè)應(yīng)用需要的電流比單個(gè)電池單元所能提供的電流更多，則可以并聯(lián)多個(gè)電池單元以提高電池組的整體電流容量 (IBATT)?？梢杂霉剑?）來(lái)計(jì)算:

其中 P 是并聯(lián)電池的數(shù)量。

當(dāng)電池并聯(lián)時(shí)，僅電流容量增加，電壓仍與單個(gè)電池相同。如果應(yīng)用需要的電壓比單個(gè)電池所能提供的電壓更高，則可以串聯(lián)電池以提高系統(tǒng)的總電池電壓 (VBATT)。VBATT 通過(guò)公式 (2) 來(lái)估算:

其中S是串聯(lián)的電池?cái)?shù)量。

組成一個(gè)電池組的電池組合通常由串聯(lián)和并聯(lián)電池的數(shù)量來(lái)表示，格式為 SsPp。例如，5s2p 電池組是指5組串聯(lián)在一起(5s)的雙電池并聯(lián) (2p) 電池組配置（見圖 3）。

注意，由于流經(jīng)整個(gè)電池組的電流相同，因此串聯(lián)在一起的每一級(jí)并聯(lián)電池的數(shù)量都應(yīng)相同。

電池容量和功率

電池單元的容量是指電池可以存儲(chǔ)和提供的電能量。電池容量可以用瓦時(shí) (Wh) 來(lái)表示，并通過(guò)公式 (3) 來(lái)估算:

容量通常簡(jiǎn)化為安培小時(shí) (Ah)，其中 VCELL 基于特定的電池單元。

為簡(jiǎn)單起見，電池組的容量可以表示為電池組中的電池?cái)?shù)（包括串聯(lián)和并聯(lián)）乘以單個(gè)電池的容量。在所有電池均在規(guī)定限制條件（例如溫度和電流限制）內(nèi)運(yùn)行的情況下，高容量電池組比低容量電池組運(yùn)行時(shí)間更長(zhǎng)。

充分利用電池可用容量的能力非常重要，因?yàn)檫@樣可以將系統(tǒng)尺寸和成本降至最低。為了最大限度地利用電池組的容量，BMS 會(huì)監(jiān)控電池的關(guān)鍵特性，例如 SOC 和健康狀況 (SOH)。精確的BMS 可以直接實(shí)現(xiàn)電池可用容量、安全性和生命周期之間的平衡。它可以確保電池的充分運(yùn)行，同時(shí)避免電池在任何會(huì)導(dǎo)致其過(guò)早老化或變得不安全的狀態(tài)下運(yùn)行。

所有電池的容量都會(huì)隨著時(shí)間的推移而衰減。電池過(guò)度充電或過(guò)度放電更會(huì)降低其容量。以手機(jī)為例，過(guò)度充電或放電都會(huì)導(dǎo)致手機(jī)電池容量隨時(shí)間的推移而衰減；因此，建議不要讓手機(jī)放電至 0% 或充電至 100%。

功率及實(shí)例

電池組的可用輸出功率 (POUT) 與電池組的容量密切相關(guān)。 POUT 越高意味著電池組可以提供的電量越多，并可以更快地為接收設(shè)備充電。

電池組的電壓和電流決定了可用的 POUT量，其值可通過(guò)公式 (4) 來(lái)估算：

通過(guò)上式可知，增加 VBATT 或 IBATT可以提高電池組的 POUT。在考慮應(yīng)用的功率需求時(shí)，了解這一點(diǎn)很重要。例如，智能手機(jī)電池通常需要 3.7V 到 4.4V 之間的電壓，功率需求適中，而筆記本電腦則通常需要 12V 到 15V 之間的電壓，功率需求較高。

便攜式加熱器中的電池組，功率需達(dá)到 288W。這種加熱器采用鋰離子電池提供高達(dá) 4A 的電流和最低 3.6V 的電壓，每電池可提供的功率達(dá) 14.4W (4A x 3.6V) 。當(dāng)功率需求為 288W 時(shí)，加熱器的電池組構(gòu)成可能如下：

·20 節(jié)電池串聯(lián)： VBATT 為 72V (3.6V x 20)，滿足 288W (72V x 4A) 的 POUT 要求。

·20 節(jié)電池并聯(lián)： IBATT 為 80A (4A x 20)，滿足 288W (80A x 3.6V) 的 POUT 要求。

盡管這兩種配置都能滿足288W 的功率要求，但仍需權(quán)衡一些重要的因素，例如電池組電壓增加時(shí)的安全性，以及電流增加時(shí)電纜和連接器電阻中的能量損失。

由于電池成本高昂，而且對(duì)最終產(chǎn)品的尺寸和重量影響很大，因此簡(jiǎn)單地在電池組中添加額外的電池來(lái)滿足功率和能源目標(biāo)是不可行的，設(shè)計(jì)人員需要找到應(yīng)用的最佳電池配置方案。

能量密度和功率密度

能量密度是指每單位體積的電池可以提供的能量。能量密度較高的電池比能量密度較低的電池可以讓設(shè)備運(yùn)行更長(zhǎng)的時(shí)間。

功率密度是指電池可以提供的連續(xù)功率和峰值功率。功率密度較高的電池比功率密度較低的電池可以提供更多的電量。能量密度和功率密度不會(huì)直接影響電池管理系統(tǒng)，但它們決定了影響 BMS 的其他因素，例如為系統(tǒng)供電需要串聯(lián)和并聯(lián)的電池總數(shù)。

能量密度和功率密度對(duì)電池的物理尺寸和重量影響很大，這對(duì)移動(dòng)或便攜式應(yīng)用來(lái)說(shuō)通常都是需要考慮的關(guān)鍵因素。高能量和高功率密度的電池是實(shí)現(xiàn)小型化、輕量化設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。例如，無(wú)人機(jī)通常同時(shí)需要二者，高能量密度用來(lái)增加飛行時(shí)間，高功率密度則用來(lái)實(shí)現(xiàn)升力；鉛酸電池就無(wú)法實(shí)現(xiàn)此功能。

一般來(lái)說(shuō)，如果處理不當(dāng)，能量密度和功率密度較高的電池發(fā)生熱失控或爆炸的可能性也較高。鋰離子電池具有非常高的能量密度和功率密度，因此必須小心處理。仔細(xì)監(jiān)控電池組內(nèi)的所有電池單元，并確保電池正常運(yùn)行非常重要；而這個(gè)任務(wù)通常由 電池監(jiān)控器和保護(hù)器件 來(lái)完成。

電池監(jiān)控

以 MP2797為例，這是一款高精度的電池監(jiān)控器和保護(hù)器（見圖 4）。該器件專為多節(jié)串聯(lián)的電池組提供完整的模擬前端 (AFE) 解決方案，它支持 7 節(jié)至最多 16 節(jié)電池串聯(lián)。MP2797 提供過(guò)壓保護(hù) (OVP)、短路保護(hù) (SCP)、欠壓保護(hù) (UVP) 和高/低溫保護(hù)，并具有可配置保護(hù)閾值，可確保每節(jié)串聯(lián)電池的安全性和可靠性。

MP2797 集成了兩個(gè)模數(shù)轉(zhuǎn)換器 (ADC)。第一個(gè)ADC測(cè)量每個(gè)電池的電壓和溫度，第二個(gè)則測(cè)量充電/放電電流，以優(yōu)化充電并延長(zhǎng)電池的使用壽命。其內(nèi)部狀態(tài)機(jī)與 ADC 配合工作，可確保電池根據(jù)閾值在安全工作區(qū) (SOA) 內(nèi)運(yùn)行。此外，該器件還內(nèi)置平衡 MOSFET ，以均衡電池電壓，防止電池應(yīng)力。

 這些強(qiáng)大的保護(hù)功能使 MP2797 非常適合能量存儲(chǔ)系統(tǒng) (ESS)。ESS通過(guò)電池提供的電能來(lái)補(bǔ)充高能源，例如電網(wǎng)。MP2797可以構(gòu)建 ESS 的 BMS ，從而儲(chǔ)存多余能量、監(jiān)控每個(gè)電池的運(yùn)行狀況并實(shí)時(shí)提供狀態(tài)信息。

電池充電

電池充電器 IC 可維持安全的溫度范圍，并通過(guò)控制充電/放電周期來(lái)幫助維持電池容量。MP2710 是一款具有電源路徑管理 (PPM) 功能的鋰離子電池充電器IC。它從交流適配器或 USB 端口獲取電力，來(lái)確保系統(tǒng)的持續(xù)供電（見圖 5）。

MP2710 提供可配置的電池欠壓鎖定 (UVLO)功能，以防止電池過(guò)度放電；當(dāng) VBATT 降至低于UVLO 閾值，MP2710將切斷系統(tǒng)與電池之間的路徑。MP2710 還提供短路保護(hù) (SCP) 功能，以保護(hù)電池免受過(guò)高電流的影響；它可以限制從輸入到系統(tǒng)的電流，也可以限制從電池到系統(tǒng)的電流。

MP2710 還提供預(yù)充電、恒流 (CC) 快速充電、恒壓 (CV) 充電、充電截止和自動(dòng)再充電模式，以調(diào)節(jié)電流和電壓。根據(jù)電池電壓和電流，MP2710實(shí)現(xiàn)了這些階段間的智能循環(huán)，從而保護(hù)電池免受損壞并延長(zhǎng)其使用壽命。

總結(jié)

電池具有的多種特性影響了電池在 BMS 中的使用方式。本文介紹了電池的化學(xué)成分、電池電壓、電池電流、電池容量、電池能量密度和功率密度。這些特性決定了應(yīng)采用的充電器和控制器，決定了需要提供的保護(hù)功能，甚至決定了可以提供的更大POUT（和更快充電時(shí)間），因此對(duì)電池管理系統(tǒng)影響重大。

除了電池的選擇之外，電池管理系統(tǒng)還得益于 電池保護(hù)器和監(jiān)控器 這些器件可保護(hù)電池和系統(tǒng)免受有害條件的影響；另外，電池充電器 IC 也有助于延長(zhǎng)電池的使用壽命。MPS 提供的強(qiáng)大產(chǎn)品組合可與多種不同的電池類型配合使用，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的優(yōu)化。