电池特性如何影响电池管理

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简介

电池管理包括监控、保护和控制电池等关键任务。对多个电池串联或并联的可充电电池组而言，电池管理尤为重要。电池管理系统 (BMS) 由电池监控器、微控制器 (MCU) 和电量计组成，它可以保护系统和电池，延长系统使用寿命，从而确保系统安全、可靠并以最佳状态运行（见图1）。

图1：电池管理系统

本文将简要介绍电池单元的一些关键物理特性和电气特性，这些特性将影响电池的性能、行为、限制以及应用。具体而言，本文重点关注的重要参数包括：电池化学成分、电压、电流、容量、能量密度和功率密度（见图 2）。这些参数形成了电池管理系统（BMS）的规格参数，设计人员在设计解决方案时必须遵循。

图2: 影响BMS的因素

电池化学特性

考虑电池的化学成分对BMS的设计非常重要。因为每种电池都有其独特的特性，这些特性会影响 BMS 监控和保护电池组的方式。不同应用对尺寸、功率、安全性、可靠性、使用寿命和成本有不同的要求，不同的化学成分将适用于不同的应用。考虑电池的化学成分对BMS的设计非常重要。因为每种电池都有其独特的特性，这些特性会影响 BMS 监控和保护电池组的方式。不同应用对尺寸、功率、安全性、可靠性、使用寿命和成本有不同的要求，不同的化学成分将适用于不同的应用。

电池化学成分决定了电池电压，也决定了其局限性和最佳工作条件，例如电压、电流、温度、电阻和容量等条件。例如，铅酸电池的标称电压为2.2V，而锂离子电池的标称电压约为3.7V。此外，电池化学成分还会影响最佳充电方法和电池充电器 IC的选择。

下面列出了一些电池化学成分及其常见的应用：

锂离子 (Li-ion): 锂离子电池能量密度高且可充电次数高达 2,000 次，在便携式电子产品中很常见。但如果设计或管理不当，锂离子电池会迅速退化，甚至着火。
铅酸电池: 铅酸电池在汽车和备用电源系统中很常见，它们比锂离子电池更安全。但铅酸电池的能量密度较低，通常只能充电 200 至 300 次。
镍氢电池（NiMH）: 与铅酸和镍镉电池相比，镍氢电池具有相对较高的能量密度以及安全性能，在混合动力汽车中比较常见。镍氢电池最多只能充电 500 次。
镍镉（NiCd）电池: 由于安全性较高，镍镉电池常用于电动工具、摄像头、遥控器和医疗设备。与铅酸电池类似，镍镉电池的能量密度也较低，但可充电次数高达 1,000 次。

表 1 对这些电池的化学成分进行了总结。

表1:电池化学成分总结

化学成分	应用	优点	缺点
锂离子(Li-Ion)	手机平板电脑电动汽车	高能量密度低自放电率	需要保护电路对高温敏感
铅酸	汽车引擎备用电源	性价比高支持宽温度范围	使用寿命有限需要维护
镍氢(NiMH)	平板电脑手机混合动力汽车	高比能	高自放电率
镍镉(NiCd)	电动工具摄像头医疗设备	耐用低温下性能优秀	低比能

电池组电压 (V_BATT) 和电池组电流 (I_BATT)

电池电压 (V_CELL) 是指电池端子（正极和负极）之间产生的电势差，电池电流 (I_CELL) 则是单个电池单元能够产生的连续电流。

电池电压和电流是评估基本电池状态（例如充电状态 SOC，相对于电池容量对其能量的一种度量）时的关键参数。测量电池电压和电流则是对电池管理系统的关键要求。

电池组是指组合在一起以满足最终应用能量和功率需求的一组电池。对任何一个特定的电池单元来说，首先要确定的就是如何组合和配置，以提供必要的电流和电压。

果一个应用需要的电流比单个电池单元所能提供的电流更多，则可以并联多个电池单元以提高电池组的整体电流容量 (IBATT)。可以用公式（1）来计算:

$$I_{BATT} = I_{CELL} \times P$$

其中 P 是并联电池的数量。

当电池并联时，仅电流容量增加，电压仍与单个电池相同。如果应用需要的电压比单个电池所能提供的电压更高，则可以串联电池以提高系统的总电池电压 (V_BATT)。V_BATT 通过公式 (2) 来估算:

$$V_{BATT} = V_{CELL} \times S$$

其中S是串联的电池数量。

组成一个电池组的电池组合通常由串联和并联电池的数量来表示，格式为 SsPp。例如，5s2p 电池组是指5组串联在一起(5s)的双电池并联 (2p) 电池组配置（见图 3）。

图3: 5s2p电池组

注意，由于流经整个电池组的电流相同，因此串联在一起的每一级并联电池的数量都应相同。

电池容量和功率

电池单元的容量是指电池可以存储和提供的电能量。电池容量可以用瓦时 (Wh) 来表示，并通过公式 (3) 来估算:

$$CAPACITY_{CELL} = V_{CELL} \times I_{CELL} \times Runtime$$

容量通常简化为安培小时 (Ah)，其中 V_CELL 基于特定的电池单元。

为简单起见，电池组的容量可以表示为电池组中的电池数（包括串联和并联）乘以单个电池的容量。在所有电池均在规定限制条件（例如温度和电流限制）内运行的情况下，高容量电池组比低容量电池组运行时间更长。

充分利用电池可用容量的能力非常重要，因为这样可以将系统尺寸和成本降至最低。为了最大限度地利用电池组的容量，BMS 会监控电池的关键特性，例如 SOC 和健康状况 (SOH)。精确的BMS 可以直接实现电池可用容量、安全性和生命周期之间的平衡。它可以确保电池的充分运行，同时避免电池在任何会导致其过早老化或变得不安全的状态下运行。

所有电池的容量都会随着时间的推移而衰减。电池过度充电或过度放电更会降低其容量。以手机为例，过度充电或放电都会导致手机电池容量随时间的推移而衰减；因此，建议不要让手机放电至 0% 或充电至 100%。

功率及实例

电池组的可用输出功率 (P_OUT) 与电池组的容量密切相关。 P_OUT 越高意味着电池组可以提供的电量越多，并可以更快地为接收设备充电。

电池组的电压和电流决定了可用的 P_OUT量，其值可通过公式 (4) 来估算：

$$P_{OUT} = V_{BATT} \times I_{BATT}$$

通过上式可知，增加 V_BATT 或 I_BATT可以提高电池组的 P_OUT。在考虑应用的功率需求时，了解这一点很重要。例如，智能手机电池通常需要 3.7V 到 4.4V 之间的电压，功率需求适中，而笔记本电脑则通常需要 12V 到 15V 之间的电压，功率需求较高。

便携式加热器中的电池组，功率需达到 288W。这种加热器采用锂离子电池提供高达 4A 的电流和最低 3.6V 的电压，每电池可提供的功率达 14.4W (4A x 3.6V) 。当功率需求为 288W 时，加热器的电池组构成可能如下：

20 节电池串联： V_BATT 为 72V (3.6V x 20)，满足 288W (72V x 4A) 的 P_OUT 要求。
20 节电池并联： I_BATT 为 80A (4A x 20)，满足 288W (80A x 3.6V) 的 P_OUT 要求。

尽管这两种配置都能满足288W 的功率要求，但仍需权衡一些重要的因素，例如电池组电压增加时的安全性，以及电流增加时电缆和连接器电阻中的能量损失。

由于电池成本高昂，而且对最终产品的尺寸和重量影响很大，因此简单地在电池组中添加额外的电池来满足功率和能源目标是不可行的，设计人员需要找到应用的最佳电池配置方案。

能量密度和功率密度

能量密度是指每单位体积的电池可以提供的能量。能量密度较高的电池比能量密度较低的电池可以让设备运行更长的时间。

功率密度是指电池可以提供的连续功率和峰值功率。功率密度较高的电池比功率密度较低的电池可以提供更多的电量。能量密度和功率密度不会直接影响电池管理系统，但它们决定了影响 BMS 的其他因素，例如为系统供电需要串联和并联的电池总数。

能量密度和功率密度对电池的物理尺寸和重量影响很大，这对移动或便携式应用来说通常都是需要考虑的关键因素。高能量和高功率密度的电池是实现小型化、轻量化设计的关键。例如，无人机通常同时需要二者，高能量密度用来增加飞行时间，高功率密度则用来实现升力；铅酸电池就无法实现此功能。

一般来说，如果处理不当，能量密度和功率密度较高的电池发生热失控或爆炸的可能性也较高。锂离子电池具有非常高的能量密度和功率密度，因此必须小心处理。仔细监控电池组内的所有电池单元，并确保电池正常运行非常重要；而这个任务通常由电池监控器和保护器件来完成。

电池监控

以 MP2797为例，这是一款高精度的电池监控器和保护器（见图 4）。该器件专为多节串联的电池组提供完整的模拟前端 (AFE) 解决方案，它支持 7 节至最多 16 节电池串联。MP2797 提供过压保护 (OVP)、短路保护 (SCP)、欠压保护 (UVP) 和高/低温保护，并具有可配置保护阈值，可确保每节串联电池的安全性和可靠性。

图4: MP2797典型应用电路

MP2797 集成了两个模数转换器 (ADC)。第一个ADC测量每个电池的电压和温度，第二个则测量充电/放电电流，以优化充电并延长电池的使用寿命。其内部状态机与 ADC 配合工作，可确保电池根据阈值在安全工作区 (SOA) 内运行。此外，该器件还内置平衡 MOSFET ，以均衡电池电压，防止电池应力。

这些强大的保护功能使 MP2797 非常适合能量存储系统 (ESS)。ESS通过电池提供的电能来补充高能源，例如电网。MP2797可以构建 ESS 的 BMS ，从而储存多余能量、监控每个电池的运行状况并实时提供状态信息。