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1、储能电站离子电池管理系统（BMS)目录第 1 章概述 11. 1 命 名 规则11. 1. 1 单体电池、 电池和电池组11. 1. 2 电阻11. 2 锂离子单体电池11. 2. 1 形状21. 2. 2 化 学 过程31. 2. 3 安 全性41. 2. 4 安全运行区61. 2. 5 效率61. 2. 6 老化81. 2. 7 建模101. 2. 8 串联组串中的均压问题131. 3 锂离子电池管理系统151. 3. 1 电池管理系统定义151. 3. 2 锂离子电池管理系统的功能161. 3. 3 电池管理系统选型161. 4 锂离子电池191. 4. 1 荷电状态 （ SOC）、 放
2、电深度 （ DOD） 和容量191. 4. 2 一致性及均衡231. 4. 3 健 康 状态33参考文献35第 2 章电池管理系统分类362. 1 按功能分类362. 1. 1 恒流恒压充电器362. 1. 2 分 流 器2. 1. 3 监 测 器2. 1. 4 监 控 器 38 39 40储能电站锂离子电池管理系统2. 1. 5 均 衡 器2. 1. 6 保 护 器 41 422. 1. 7 功 能 对比422. 2 按技术分类432. 2. 1 简单系统 （ 模拟系统）2. 2. 2 复杂系统 （ 数字系统） 43 442. 2. 3 技 术 对比442. 3 按拓扑分类2. 3. 1 集
3、 中 式2. 3. 2 模 块 式2. 3. 3 主 从 式2. 3. 4 分 布 式 45 45 45 46 472. 3. 5 拓 扑 对比49第 3 章BMS 功能503. 1 测量503. 1. 1 电 压3. 1. 2 温 度3. 1. 3 电 流 50 53 533. 2 管理563. 2. 1 保护563. 2. 2 热 管理613. 2. 3 平衡623. 2. 4 再 分配823. 2. 5 分布式充电843. 3 评价853. 3. 1 荷电状态和放电深度853. 3. 2 容 量3. 3. 3 电 阻 91 923. 3. 4 健康状态 （ SOH）933. 4 外 部
4、通信943. 4. 1 专用模拟线路3. 4. 2 专用数字线路 94 953. 4. 3 数 据 连接983. 5 登录和遥测100参考文献100第 4 章市售电池管理系统 1014. 1 引言101目录4. 1. 1 简 单 系统1014. 1. 2 复 杂 系统1054. 1. 3 单体电池制造商的电池管理系统1114. 1. 4 对比112第 5 章定制型 BMS 设计1145. 1 BMS 专用集成电路1145. 1. 1 BMS 专用集成电路的选择1145. 1. 2 BMS 专用集成电路的比较1175. 2 模 拟 BMS 设计1185. 2. 1 模拟调节器1185. 2. 2
5、 模拟监控器1205. 2. 3 模拟均衡器1315. 2. 4 模拟保护器1385. 3 现有的数字 BMS 设计1385. 3. 1 ATMEL 公司生产的 BMS 处理器5. 3. 2 Elithion 公司生产的 BMS 芯片集 139 1405. 3. 3 National Semiconductors 公司生产的成套 BMS1415. 3. 4 Peter Perkins 生产的开源 BMS1425. 3. 5 德州仪器公司生产的 bq29330 / bq20z905. 3. 6 德州仪器生产的 bq78PL114 / bq76PL102 143 1465. 4 定制型数字 BMS
6、 设计1475. 4. 1 电压及温度测量1485. 4. 2 电 流 测量1715. 4. 3 评 估 功能1765. 4. 4 通信1915. 4. 5 优化2025. 4. 6 开关2165. 4. 7 日 志 记录2205. 5 电 池 接口2215. 5. 1 非 分 布式2215. 5. 2 分 布式2225. 6 分布式充电228第 6 章BMS 的设计 2316. 1 安装2316. 1. 1 电池组设计2316. 1. 2 BMS 与电池组的连接244储能电站锂离子电池管理系统6. 1. 3 BMS 与系统连接2476. 2 配置2536. 2. 1 单体电池配置2536.
7、2. 2 电池组配置2536. 2. 3 系 统 配置2536. 3 测试2556. 4 故 障 排除2566. 4. 1 接地2566. 4. 2 屏蔽2566. 4. 3 过滤2566. 4. 4 电 线 布置2566. 4. 5 非计划断路2566. 5 应用257参考文献257符号及缩略语258术语260第 1 章概述1. 1命名规则1. 1. 1单体电池、 电池和电池组在对电池组的各个组成部分的命名上存在着一些混淆， 这或许是因为当我们提到 “ 电池” 时其实是指碱性单体电池， 而往往忽略了汽车启动电池是由 6 个单体电池组合而成。在本书中， 我们对各组成部分的命名约定如下： 单体电
8、池 （ cell）： 电池最基础的组成元素 （ 就锂离子单体电池而言其能提供 3 4V 电压）。 电池块 （ block）： 由一系列单体电池并联组成， 提供 3 4V 的电压。 电池 （ battery）： 由一系列单体电池或电池块串联组成的独立的物理模块， 可以提供更高的电压水平 （ 例如， 一个由 4 个单体电池串联组成的电池块正常工作时可以提供 12V 电压）。 电池组 （ pack）： 由许多电池通过串联或并联组成的电池集合。1. 1. 2 电 阻单体电池生产商通常在电池的参数表中列出的阻抗参数通常为交流阻抗（ 详见 1. 2. 7 节）。 但是电池使用者需要知道的是， 直流阻抗并非
9、交流阻抗， 因为电池正常工作时内部流动的是直流电流。 因此， 在本书中， 所有的阻抗均特指单体电池或者电池的内部直流电阻。1. 2锂离子单体电池可充电锂离子单体电池在现有市售电池中具有最高的能量密度， 并且功率密度也很高。 锂离子单体电池凭借着其近乎卓越的性能 （ 见图 1. 1） 已经成为如笔记本电脑和手机这样的消费类电子产品的首选。 与此同时， 锂离子单体电池也快速成为牵引类交通工具动力源的理想选择。第 1 章概述91. 2. 1形状图 1. 1 世界上最快的电动摩托 KillaCycle 烧胎锂离子单体电池一般具有 4 种基本形状 （ 见图 1. 2 和表 1. 1）： 圆柱形 （ 分为
10、大、 小两种）、 棱柱形和袋形。图 1. 2 锂离子单体电池形状： 大、 小圆柱形， 棱柱形和袋形这些锂离子单体电池的易用性使得它们在小型项目中更受青睐。 圆柱形的锂离子单体电池在完全充电的化学反应过程中仍可以保持原有的形状不发生膨胀， 而对于其他形状的单体电池来说， 就必须选择合理的外壳来抑制膨胀。此外， K2 能源公司将一系列小圆柱单体电池组装成为具有棱柱外形的电池， 这些电池同时具备了小圆柱单体电池的机械特性、 热特性和棱柱单体电池的易用特性。表 1. 1 锂离子单体电池形状对比小圆柱大圆柱棱柱袋状外形包裹成小圆柱状， 一般长 65mm镍焊接或铜条包裹成金属或硬塑圆柱状螺栓螺母联接中等硬
11、度塑料包裹软袋包裹连接铜板焊接或螺栓螺纹联接螺栓螺纹联接标签夹连接或焊接满充抗膨胀性商业性外形固有抗膨胀特性差： 设计过程复杂， 需要焊接， 劳动强度大外形固有抗膨胀特性好： 需要一些设计需要在电池尾部加装抗膨胀板优秀： 几乎不需要设计需要在电池尾部加装抗膨胀板非常差： 需要很多的设计劳动工作特性好： 焊接提供了较高的可靠性好优秀好： 高表现替换特性不可能可能但不简单简单一般不可能易于改造， 因注释为较小的外形可以适应各应用一 般 不 广 泛应用较高的可利用性， 几乎不需要设计高能量/ 功率密度， 需要大量的设计工作量， 一般在大型产品中才选择应用1. 2. 2化学过程锂离子单体电池通过内部锂
12、离子在正负电极之间嵌入和脱嵌进行充放电， 锂离子在正负极之间的传递模式被戏称为 “ 摇椅模式”。锂离子单体电池大多采用聚合物电解质或凝胶电解质， 而其他单体电池则大多采用非水液体电解质。许多锂离子化合物可用于制作锂离子单体电池。 通常情况下根据锂离子单体电池阴极材料对其进行命名。 LiCoO2 ： 标准钴酸锂。 LiMnNiCo： 镍钴锰酸锂。 LiFePO4 和 Li2 FePO4 F： 纳米磷酸锂/ 磷酸锂/ 磷酸铁锂。 LiMnO2 ： 锰酸锂。 Li4 Ti5 O12 ： 钛酸锂。 LiMn2 O4 ： 锰酸锂。 LiNiO2 ： 镍酸锂。这些单体电池的额定电压、 能量密度和功率密度等
13、参数随着其化学反应的变化而变化。 相比于标准钴酸锂， 一些锂离子单体电池更安全， 也更适合用作大型牵引锂离子电池组 （ 特别是磷酸铁锂和钛酸锂）。1. 2. 3安全性虽然锂离子单体电池性能优异， 但也不允许使其工作在严格安全区域之外， 否则会产生令人不满意甚至危险的后果。在多数情况下， 单体电池故障的后果也仅仅是电池使用寿命缩短或者电池损毁， 不会发生安全事故。 然而滥用锂离子单体电池则是一件极其危险的事情， 并且很容易对单体电池造成严重的物理损害 （ 穿孔或破碎） 和/ 或过热 （ 由过电压、 过电流或外部发热引起）。我曾经惊恐地目睹过一场磷酸铁锂离子电池的短路事故： 单体电池猛烈地向外喷发
14、电解质， 随后又发生了喷火爆炸事故， 如图 1. 3 和图 1. 4 所示。 得益于当时较为健全的安全措施， 锂离子电池安置在手推车上， 并且距离安全出口较近， 使得技术人员能够很快将电池推到室外。图 1. 3 扑灭因锂离子电池直接短路引起的火灾我曾参与过普锐斯混合动力电动汽车 （ 见图 1. 5） 的电池事故分析， 事故是由动力锂离子电池组内部电弧引发的起火 （ 详见 6. 1. 1. 5 小节）。以上两起事故中均没有人员伤亡。 在这两个案例中， 人们的错误在于不健全的机械设计以及糟糕的生产流程 （ 在生产现场不存在质量控制及干扰环节）。 这两个案例都不是由电池管理系统引起的问题。虽然这两个
15、案例都是极端情况， 但正是这样的事件让我们意识到大量锂离子电池组具有很强的危害性。 从事这种电池工作时需要注意安全。图 1. 4 灭火后的图 1. 3 中的电池图 1. 5 起火后的普锐斯混合动力电动汽车 认真思考并直接告诉周围的人保持安静电池实验过程中禁止闲聊。 佩戴适当的安全装备： 操作电压超过 40V 的电池时， 需佩戴护目镜和绝缘手套。 不要将金属物品放置于未加保护的单体电池上方， 因为这些物品会在重力作用下掉落在电池上。 也就是说不允许在电池上方放置螺钉旋具、 仪表探头、套筒扳手、 油漆罐和卡钳等物品。 如果暂时不使用上述工具， 应将其放置在电池下方。 采用严格的质量控制方法合理地设
16、计并组建电池模块。 提前准备电池着火事故的处理方案 （ 如剪短电缆， 快速离开事发地， 灭火）； 在进行电池实验之前就应该将处理方案的程序牢记于心， 并能在事故发生10s 内做到妥善处理。1. 2. 4安全运行区锂离子单体电池安全运行区域由电流、 温度和电压确定。 若超过电压阈值过充， 那么电池将会迅速被损毁， 严重时会发生爆炸。 大部分锂离子单体电池在低于电压阈值时继续放电将会损毁。 若锂离子单体电池在某个特定的温度范围之外放电， 又或者在一个相比之下更小的温度范围外充电， 那么将会导致锂离子单体电池的寿命严重受损。 长期工作于允许温度范围外的锂离子单体电池容易产生热失控和自燃现 象， 即使
17、是不易产生热失控现象的单体电池， 其含有的有机电解质也会助燃。 锂离子单体电池寿命会因大电流放电或快度充电而受损。 锂离子单体电池在高脉冲电流下工作几秒就会损毁。以上介绍的这些限值会随单体电池自身化学成分不同而产生变化。 例如， 标准锂离子单体电池 （ LiC2 ） 在没有任何保护措施时， 即使工作在一个相对较低的温度下也会产生热失控； 而对于 LiFePO4锂离子单体电池， 即使工作在较为恶劣的温度条件下也不会产生热失控。 不同制造商的单体电池限值也不尽相同。 例如A123 和 K2 两个公司均生产相似的筒式锂离子单体电池， A123 公司的锂离子单体电池可以放电至0V， 但K2 公司生产的
18、锂离子单体电池则不允许在低于 1. 8V 的电压下放电， 如图 1. 6 所示。1. 2. 5 效 率相比于其他化学电池， 锂离子单体电池一个显著优点是能量和充电的高效性。1. 2. 5. 1能量锂离子单体电池的内阻非常小 （ 尤图 1. 6 26， 650 型 LiFePO4 锂离子单体电池的安全工作区域其是在所谓的动力电池中）， 根据计算公式 = I2 R 可知， 其内部产生的热功率损耗也极小。 例如， A123 公司生产的 M126， 650 型锂离子单体电池 （ 多用于动力工具和混合动力电动汽车中）， 有着较为典型的 10m 内阻。 当它工作于 1C（2. 3A） 状态下， 输出的功率
19、为 P = 2. 3A 3. 2V = 7. 6W 时， 其功率损耗为 P =（2. 3A） 2 10m = 53mW， 具有 99. 3% 的转化效率 （ 同时考虑充电、 放电， 其双向效率为 98. 6% ）。电流增大时能量效率会相应地降低。 更多的能量将会以热能的形式在单体电池内部被浪费掉， 单体电池输出能量也相应减少。当外部负载阻抗与单体电池内阻相等时， 单体电池具有最大输出功率。 一半功率在单体电池内部以热量形式浪费掉了， 另一半功率作用于外部负载。按照这种工作方式， A123 公司的 M126， 650 型锂离子单体电池能够提供150A 的电流和 500W 的功率， 其中 250W
20、 的功率在单体电池内部以热能的形式消耗。 当然这种工作状况仅能维持很短时间 （ 少于 10s）， 因为单体电池内阻产生的热量将会迅速扩散并引起单体电池温度升高到危险水平。 当然， 当单体电池应用于赛车时， 破纪录比保护单体电池寿命更为重要， 所以偶然的起火事件也是可以接受的。1. 2. 5. 2 电 荷从充电方面看， 锂离子单体电池效率实际上是可以达到 100% 的 （ 只要单体电池的充放电循环在一个可以忽略其自放电的极短时间内发生）。 本质上如果忽略充放电速率， 在单体电池满充过程中进入单体电池的电子能够在满放过程中全部释放出来。 需要注意的是， 本书并没有说充放电的能量相等， 而是说充放电
21、的电荷量相等。 放电过程的单体电池电压比充电过程的单体电池电压要低， 因此尽管充放电的电荷量相等， 放电释放的能量要少于充电存储的能量。读者或许因某个规格表显示单体电池在更大电流下释放电荷量会减小， 而对本书提出的理论存有异议。 需要指出的是， 本书提出的理论是基于单体电池的完全充放电， 而规格表中曲线是单体电池恒流放电， 当单体电池电压低于某个特定的水平时其放电就会停止。 那时单体电池并没有做到完全放电， 可以通过采用较低放电电流的方式将单体电池中的剩余电荷释放出来。 例如可以采用与截止电压相等的恒压条件对单体电池进行放电， 如图 1. 7 所示。 在忽略单体电池放电速率的前提下， 当放电电
22、流降到零时， 单体电池释放的全部电荷量基本等于充电时存储于单体电池内部的电荷量 （ 无论单体电池开始放电时电流大或小， 最终都会以小电流放电终止）。当然， 在很多电池应用中 （ 例如后备电源）， 负载需要在大电流下工作， 这 就导致了单体电池部分电荷无法完全释放。 在这样的应用场景下， 单体电池内部 对于熟悉铅酸电池和普克特常数概念的读者， 可能有兴趣了解到锂离子单体电池的普克特常数大约为 1. 05 （ 铅酸电池的普特克常数介于 1. 1 1. 3 之间）。图1. 7 锂离子单体电池释放电荷量与放电速率无关， 当以大电流对锂离子单体电池进行放电完成后， 单体电池中剩余的电荷仍旧可以以相对低的
23、电流进行释放的电荷能够在较小电流下完全释放只是纯理论的观点。某些电池应用也存在一定的灵活性。 例如， 电动汽车在载客模式下可以以较低的转矩运行， 使驾驶人能够低速泊车。 在这种情况下， 单体电池中的电荷能得到全部释放。1. 2. 6老化。相比于其他的化学电池， 锂离子单体电池具有更长的寿命， 但也是有限的日历寿命 和循环寿命1. 2. 6. 1日历寿命 标准锂离子单体电池的日历寿命相对较短， 如图 1. 8 所示。 无论锂离子单体 注意日历的拼写 （ Calendar） 经常被误写为砑光机 （ Canlender）。 日历用于计时， 与砑光机大不相同， 砑光机用于造纸。电池是否在循环使用， 其
24、容量都在逐渐减小 （ 使用手机和台式计算机的人可以证明）。 这归结于标准锂离子单体电池在满充状态电压高于 4. 0V 时内部发生的化学反应。 其他的锂离子化学电池 （ 尤其是LiFePO4 单体电池） 则可以在较低的电压下工作， 因此上述化学反应也不会发生， 所以此类锂离子单体电池似乎不存在日历寿命限制。图 1. 8 锂离子单体电池日历寿命1. 2. 6. 2循环寿命通过锂离子单体电池的 “ 容量 循环次数” 曲线可以发现， 单体电池的容量随着充放电循环次数的增加呈线性衰减趋势， 速率与单体电池放电电流大小相关。 通过锂离子单体电池的 “ 内阻 循环次数” 曲线可以发现， 在较少次数的循环充放
25、电之后单体电池的内阻略有降低， 而在之后几百次的循环充放电中其内阻第 1 章概述35则呈现持续增加的趋势， 之后增加速度越来越快。 只有一小部分人发现1 ， 这两条曲线是有关联的。 一部分容量损失归因于单体电池内部的活性物质损耗， 另一部分容量并未损失， 而是没有被使用； 单体电池充放电不足是由内阻的增加和厂商设定的固定截止电压决定的。 由于设定了固定的截止电压， 电池生产商测试设备对电池充放电量越来越少， 因为内阻在不断增大， 这导致了容量的表象损失。 单体电池的容量损失不仅仅是因为单体电池的使用， 单体电池生产商检测算法的局限性也导致单体电池表现出的容量损失大于其实际容量损失。因内阻增大而
26、产生的那部分容量损失可以通过提高充电截止电压或降低放电 截止电压来恢复， 即通过 IR 进行补偿， 如图 1. 9 所示， 对于容量损失为 10% 的单体电池来说， 其实际容量仍可达到出厂状态； 通过提高充电截止电压和降低放电截止电压， 可以使因单体电池内阻增大而导致的电压损耗得到补偿， 最终达到恢复单体电池容量的目的。图 1. 9 可恢复单体电池容量、 有效单体电池容量及单体电池内阻随循环次数变化曲线一套可以测量单体电池内阻并对单体电池截止电压进行补偿的电池管理系 统， 能够更充分地利用电池容量。1. 2. 7 建 模在研究单体电池时， 化学家会关注其化学过程， 而电气工程师则更加倾向于视其
27、为电路， 也就是等效电路模型。 对于锂离子单体电池， 最简单， 且是恒流工况下非常有效的模型是电压源串联阻抗模型， 如图 1. 10a 所示。 模型中的电阻即为本书中一直提到的单体电池内阻。LiFe1对于典型的锂离子单体电池来说， 其内阻一般为毫欧数量级 （26， 650 型PO4 锂离子动力单体电池的内阻为 0 50m， 棱柱形锂离子单体电池的内阻一般为 0. 5 5m）。 其源于内部化学反应产生的有效电阻以及集电器和端子图 1. 10 锂离子单体电池等效电路模型及其电压电流曲线a） 简单 R 模型 b） 松弛 RC 模型 c） 带有交流阻抗的 RC 模型 d） 双 RC 电路模型块体金属的
28、阻抗。 因内阻和电流共同作用产生的电压跌落 （ IR 跌落）， 就是化学家所说的极化电势。此处讨论的单体电池内阻并非简单的电阻 （ 这种内阻无法简单的通过欧姆表测得， 也不能简单的根据 R = V / I 计算得到）。 我们谈论的单体电池内阻是一个动态电阻， 它因串联电压源而与普通电阻不同。 动态内阻定义为电压变化量与电流变化量的比值， 即R = V / I（1 1）因此为了能够计算动态内阻， 必须得到电流的变化量和其导致的电压变化量。 单体电池内阻的变化情况如图 1. 11 所示。 SOC： 内阻在 SOC 较高和较低时均较大。 温度： 内阻在温度较低时较大。 电流： 内阻在较大电流放电时
29、（ 与同电流放电时相比） 较大。 使用： 内阻随着使用次数的增加而增大。从单体电池使用者的角度来看， 一个较为复杂的单体电池模型， 是将单一的单体电池内阻分为两个电阻， 并给其中的一个电阻并联大电容， 如图 1. 10b 所示。 这种模型能够较准确地模拟单体电池突然带载时的实际表现。 单体电池初始图 1. 11 单体电池内阻随参数变化情况图a） 内阻 电流 b） 内阻 温度 c） 内阻 SOC d） 内阻 循环次数电压降很小 （ 取决于 R1）， 但随着电池的使用， 其电压降由两个电阻共同决定， 按照以 T = R2 C2 为时间常数的指数形式衰减， 其时间常数一般为 1min 数量级。 这种
30、现象即为化学家所谓的 “ 松弛效应”。与图 1. 10b 不同， 电池生产厂商一般选择另外一种不同的模型， 如图 1. 10c 所示。 这种模型在外观上与图 1. 10b 所示模型相同， 但实际上图 1. 10c 中模型的RC 电路的时间常数为 1ms 数量级。 使用该种模型， 可以准确地模拟电池生产商用检测装置测量得到的交流阻抗 （ 在 1kHz 的频率下）。 电池生产商在 1kHz 的条件下测量新单体电池空载下的交流阻抗， 这种测量工况与单体电池在实际应用中的工况截然不同。 电池生产商之所以用这种方法对单体电池进行测量， 是因为他们的测量设备对于测量 1kHz 条件下单体电池的交流阻抗较为
31、可行， 在锂离子单体电池的使用寿命内， 其阻抗在 1kHz 条件下几乎为常数， 而且坦白来讲， 电池生产厂商的化学家们也未必清楚单体电池带载的直流阻抗概念。 但是， 单体电池使用者却很少采用这种模型。 如果这种单体电池模型准确的话， 那么当单体电池初始带载时其电压损耗将会瞬间产生并且非常小。 电池生产商通常将在 1kHz 条件下获得的交流阻抗的实部作为单体电池的内阻给出。 这种做法极易误导电池使用者， 使电池使用者误以为生产厂商提供的电阻即为单体电池的实际直流阻抗。综合分析图 1. 10b 和 1. 10c 中的两种电池模型， 可以得到更加准确的带有两组RC 回路的电池模型， 如图 1. 10
32、d 所示。 这种模型能够同时满足电池使用者及电池生产商的需要。1. 2. 8 串联组串中的均压问题由一系列单体电池串联而成的电池， 其充电电压将会均匀地分配到每个单体电池上。 如图 1. 12 所示， 当为汽车的铅酸起动电池充电时， 其充电电压为13. 5V， 此时起动电池中的 6 个单体电池电压几乎都在 2. 25V 左右。 如果某个单体电池存储了更多的能量， 那么其电压将会略高于其他单体电池， 即从其他单体电池处 “ 掠夺” 了一部分电压。 例如， 如果某个单体电池的电压为 2. 5V， 其他单体电池的电压平均在 2. 20V 左右。 这种单体电池间的微小电压差是可以接受的， 铅酸电池对于
33、这种单体电池电压偏差 “ 容忍力” 更强。图 1. 12 铅酸启动电池a） 电压均衡 b） 电压不均图 1. 13 给出了另一个例子。 消费品中常用的聚合物锂离子电池一般由两个单体电池串联而成。 当以 8. 4V 电压其充电时， 如果电压均衡， 那么每个单体电池电压为 4. 2V。 但是如果电压不均衡， 最差的情况下放电最深的单体电池电压为 3. 3V， 而另一个单体电池电压为 4. 9V。 4. 9V 已经超过了聚合物锂离子电池的最大允许工作电压 （ 一般为 4. 2V）， 但是 4. 9V 的电压仍不足以让其产生热失控和起火。在由大量单体电池串联组成的高电压电池中， 电池组工作电压无法均分
34、的情况则会容易发生（ 这种现象在许多化学电池上普遍存在）。由 4 个单体电池串联组成的聚合物锂离子电池， 将其充电至电压为 16. 8V。 如果各单体电池间电压均衡， 那么 16. 8V 的电压将以 4. 2V 均分到每个单体电池上， 如图 1. 14a 所示。 而在实际应用中， 各单体电池上的电压往往是不均衡的， 某个单体电池会率先被充满直至达到过充状态。 锂离子单体电池自身无法很好地处理过充问题。 一旦充满， 锂离子单体电池不仅不能像与其串联的其他未充满电池一样继续吸收电流。 反而单体电图 1. 13 聚合物锂离子电池中两个单体电池串联图a） 电压均衡 b） 电压不均池电压会迅速地增大，
35、可能达到危险水平。 在图 1. 14b 所示的例子中， 第二节单体电池过充至电压为 6. 3V， 而其他单体电池电压则在 3. 5V 左右。 尽管电池整体电压为 16. 8V， 但电池中的 3 个单体电池均未达到满充状态， 同时一个单体电池已经存在热失控危险。 因此， 依靠电池整体电压去判断何时停止充电的系统（ 例如恒流恒压充电器） 会给使用者一种安全错觉。 这样的系统会导致某些单体电池过充， 甚至因单体电池过充至危险水平而引发安全问题。 因此利用电池管理系统对这样的电池进行管理是必要的， 首要的是保证单体电池不过充， 并且视情况对电池进行均衡控制， 保证电池的最佳工作特性。12V同样由 4
36、个单体电池串联组成的聚合物锂离子电池， 当放电至电池电压为后， 如果各单体电池电压完全均衡， 那么整体电压将会以 3. 0V 均分至每个单体电池上， 如图 1. 15a 所示。 但在实际应用中， 各单体电池会出现不均衡， 其中某个单体电池将会率先达到完全放电状态， 继而达到过放状态。 在不同程度上， 锂离子单体电池无法很好地处理过放问题。 如果单体电池电压低于某个阈值， 不可逆转的电池损毁就会发生。 在图 1. 15b 所示的例子中， 其中一个单体电池过放至电压为 1. 5V， 而其他单体电池电压则在 3. 5V 左右。 尽管电池整体电压为 12V， 其中 3 个单体电池并没有达到完全放电状态
37、， 而另一个单体电池则遭到了损毁。 因此， 依靠电池整体电压去判断何时停止放电的系统 （ 例如带有低压关断设备的电机控制器） 会给电池使用者一种安全错觉。 这样的系统会导致某些单体电池过放电， 最终导致单体电池损毁。 因此， 利用电池管理系统对这样的电池进行管理是必要的， 保证任何单体电池都不会因过放而损毁。图 1. 14 4 个单体电池， 充电图a） 电压均衡 b） 电压不均衡， 其中一单体电池存在发生热失控危险图 1. 15 4 个单体电池， 放电图a） 电压均衡 b） 电压不均1. 3锂离子电池管理系统在前文中我们知道了锂离子电池滥用将会导致其寿命缩短、 引起电池损毁， 严重情况下甚至会
38、引发安全问题。 在对锂离子电池问题进行分析之后， 本节将从锂离子电池管理系统中寻找解决方案。 电池管理系统的作用就是要保证被管理电池内部单体电池均工作在自身的安全工作区域之内。 这一点对于储能电站的锂离子电池组就显得更加重要， 这是因为： 相对于其他化学电池来说， 锂离子电池更不能容忍电池滥用。 由大量的单体电池串联组成的储能电站电池组更易因为内部单体电池电压 不均衡导致过充及过放。 锂离子单体电池决不允许过充和过放。1. 3. 1电池管理系统定义对于什么是电池管理系统、 电池管理系统的功能是什么并没有统一的定义， 并且有时像电压管理系统 （ VMS） 和电路保护模块 （ PCM） 这样的系统
39、都会被应用以起到电池管理系统的作用。 本节对电池管理系统进行广义的定义， 即电池管理系统是以某种方式对电池进行管理和控制的产品或技术。 也就是说电池管理系统包含如下功能： 电池监控。 电池保护。 电池状态估计。 电池性能最大化。 对用户或外部设备进行反馈。1. 3. 2锂离子电池管理系统的功能为了保证锂离子电池的使用安全， 锂离子电池管理系统至少要满足如下功能： 通过主动停止充电电流或反馈停止充电信息来防止任何锂离子单体电池 电压越限。 这是所有锂离子单体电池存在的安全问题。 通过直接停止电池电流、 反馈停止运行信息或启动冷却装置的手段防止任何锂离子单体电池温度越限。 这是易产生热失控的锂离子
40、单体电池的安全问题。 通过停止充电电流或反馈停止运行信息的手段防止锂离子单体电池电压 过低。 通过反馈减小电流或切断电流信息或直接切断电流的方式防止电池的充 电电流越限 （ 限值会根据单体电池的电压、 温度及前一时刻电流水平的变化而变化）。 通过与用与上一条相似的方法防止电池的放电电流越限。电池管理系统在锂离子电池充电过程中十分必要。 当任意一个单体电池达到最大充电电压时， 电池管理系统必须关断充电器， 如图 1. 16 所示。 电池管理系统可以通过均衡电池组使其容量最大化。 为了实现这样的目标， 电池管理系统可以先移除充电最快的单体电池的充电装置， 这样可使其他单体电池能够继续充电， 待该单
41、体电池的电压足够低时再恢复其充电。 按此方式循环多次后， 所有锂离子单体电池将会处于相同的电压水平， 均达到满充状态， 即电池组达到了电压均衡。 电池管理系统在锂离子电池充电过程中也十分必要。 当锂离子单体电池电压达到低压关断电压时， 电池管理系统则断开负载， 如图 1. 17 所示。1. 3. 3电池管理系统选型出版本书的目的之一就是帮助读者确定应该选择非定制的电池管理系统还是 定制的电池管理系统。 有些特殊的需求只有定制的电池管理系统才能够满足， 如知识产权需求或者严格技术参数需求。 否则， 应用市售的电池管理系统耗费较少的时间、 花费较少的资金、 应用较少的资源即可能获得更大的收益。 简
42、单来说，图 1. 16 带有电池管理系统的电池充电器充电图a） 充电 b） 某单体电池电压越限时停止充电 c） 在单体电池电压通过均衡控制降低后恢复充电 d） 电池管理系统循环往复控制 e） 均衡状态 （ 一） f） 均衡状态 （ 二）图 1. 17 电池管理系统控制负载的电池放电图a） 电池放电 （ 一） b） 电池放电 （ 二） c） 某单体电池电压跌落至低压阈值时停止放电两者区别如下： 定制系统： 你拥有、 你掌控。 非定制系统： 更省时、 更简单、 更经济。可以从定制方案获益的实体部门主要包括： 需要对其产品实现完全控制大型汽车制造商。 想要提升其产品生产线的大型电子公司。 准备被收购并希望提升其认知价值的公司。 想要获取学习经验的业余爱好者。相反， 可以从非定制电池管理系统获益的实体部门主要包括： 设计电动车、 插电式混合动力车和混合动力客车的公司。 小到中型专用车辆 （ 公用设备、 重载设备、 公共交通设备） 生产商。 设计服务公司和工程顾问公司。 车辆集成商。 开发路基备用系统、 公用设施的公司。 单体电池生产商及电池装配公司。 电动汽车变流器生产公司。 结果导向的高效公司。