通過BMS解決方案提高電池壽命和安全性

電池管理系統(tǒng) (BMS) 專注于電池。BMS 任務(wù)包括電壓和電流控制、熱管理解決方案、防火和網(wǎng)絡(luò)安全。在本文中，我們將解釋與電池相關(guān)的主要風(fēng)險(xiǎn)以及 BMS 可以克服這些風(fēng)險(xiǎn)的方法。

BMS 電池保護(hù)

可充電電池是 BMS 的基石。該組件相當(dāng)復(fù)雜和敏感，需要注意和小心處理。BMS 可以做到這一點(diǎn)。它的所有功能都旨在在盡可能長的時(shí)間內(nèi)充分利用電池。

因此，通過檢查充電狀態(tài)和健康狀態(tài)，BMS 可以延長電池壽命和性能。通過估計(jì)電池組內(nèi)的能量狀態(tài)和功率狀態(tài)以及平衡電池，它可以利用電池的全部潛力，從而利用您的電池儲(chǔ)能系統(tǒng) (BESS)。

根據(jù)成分的不同，電池可能對(duì)不穩(wěn)定的環(huán)境相當(dāng)敏感（詳細(xì)了解 BESS 中使用的電池技術(shù)）。超過限制對(duì)電池來說可能是至關(guān)重要的，并可能導(dǎo)致其脫落和過早死亡。

此外，電池的擠壓可能會(huì)對(duì)其用戶造成傷害。例如，鋰基電池在某些情況下因其易燃性和爆炸性而臭名昭著。

配備齊全的 BMS 可以預(yù)測(cè)潛在危險(xiǎn)并保護(hù)電池和用戶。完善的 BMS 具有防止短路、接地故障和熱失控的電池安全系統(tǒng)。因此，BMS 安全系統(tǒng)可提供安全的數(shù)據(jù)傳輸并保護(hù)您的電池存儲(chǔ)系統(tǒng)免受未經(jīng)批準(zhǔn)的使用。

BMS 系統(tǒng)（來源：Integra Sources）

具有實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)的 BMS 可立即對(duì)所有更改或威脅做出反應(yīng)，因此有助于避免過早更換電池和昂貴的維修。

在本文中，我們特別關(guān)注 BESS 中最受歡迎的鋰離子 (Li-ion) 電池。這種類型的電池需要小心處理，因?yàn)樗鼘?duì)極端溫度、過度充電和持續(xù)缺乏充電很敏感。BMS 可以提供這樣的治療。

電壓和電流控制

為了控制電池的電流和電壓，您必須在充電時(shí)提供過流和過壓保護(hù)，并在電池放電時(shí)避免欠壓。

挑戰(zhàn)：每種電池類型都有建議的充電和放電電流和電壓限制。超過這些參數(shù)會(huì)導(dǎo)致氧化和短路，從而損壞電池并縮短其使用壽命。在最壞的情況下，可能會(huì)發(fā)生爆炸、火災(zāi)和觸電。

建議措施：向單元添加足夠的傳感器允許 BMS 擁有數(shù)據(jù)并對(duì)其進(jìn)行分析以采取進(jìn)一步行動(dòng)。

因此，系統(tǒng)可以控制與電壓相關(guān)的電流、電壓和充電狀態(tài)。如果偏離允許值，BMS 可以使用斷路器斷開電路并停止對(duì)電池充電。

BMS 過流和過壓/欠壓保護(hù)系統(tǒng)（來源：Integra Sources）

BMSes 可以警告用戶電池可能出現(xiàn)的問題。在這種情況下，系統(tǒng)會(huì)發(fā)送警報(bào)或推送通知并顯示在設(shè)備面板上。

BMSes和充電器一樣，可以采用恒壓/恒流電池充電方式進(jìn)行過流過壓保護(hù)。思路如下：

您以恒定電流為電池充電，直到電池達(dá)到一定的電壓水平。然后在電流下降時(shí)以恒定電壓為電池充電。當(dāng)電流具有最低可能值時(shí)，充電結(jié)束。

您可以在 BMS 的軟件和硬件級(jí)別安裝電壓和電流監(jiān)控。以下是我們用于工業(yè) BMS 解決方案的基本硬件示例：

電流和電壓互感器

一個(gè)放大器和一個(gè)帶有電阻分壓器的緩沖器，用于增加輸出電流和電壓的值

將電流和電壓值轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)的模數(shù)轉(zhuǎn)換器

用于讀取信號(hào)的微控制器 (MCU)

我們?yōu)?MCU 編寫了固件，該固件可以將測(cè)量值與電流和電壓限制進(jìn)行比較，然后可以向斷路器發(fā)送命令。

但在設(shè)計(jì)保護(hù)電路時(shí)，必須小心。額外的電子設(shè)備不僅會(huì)增加 BMS 成本，還會(huì)增加內(nèi)阻并降低電池的功率。

恒壓/恒流電池充電（來源：Integra Sources）

熱管理

熱管理是 BMS 最重要的鋰離子電池安全預(yù)防措施之一。它包括電池溫度控制并處理加熱、冷卻和空調(diào)

挑戰(zhàn)：高效的鋰離子電池很脆弱。鋰是一種非?；顫姾鸵兹嫉慕饘?，當(dāng)它與水和空氣接觸時(shí)會(huì)立即燃燒起來。

即使是溫度的輕微升高或?qū)﹄姵氐妮p微損壞，也可能導(dǎo)致熱失控和短路，從而導(dǎo)致爆炸和火災(zāi)。

這就是電池?zé)峁芾韺?duì)于基于鋰離子的解決方案極為重要的原因。電池可接受的溫度為：

32?F 至 113?F（0?C 至 45?C）用于充電

–4?F 至 140?F（–20?C 至 60?C ?）用于放電

32?F 至 68?F（0?C?至 20?C）用于存放

建議措施：您的 BMS 電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)可以檢查溫度是否在限制范圍內(nèi)。要測(cè)量電池內(nèi)部和周圍的溫度，您可以使用溫度傳感器或熱敏電阻——半導(dǎo)體熱敏電阻。

BMS 發(fā)現(xiàn)與某些值的偏差并立即采取措施來節(jié)省電池。

例如，BMS 可以應(yīng)用熱敏電阻和熱熔斷器來保護(hù)電池在工作期間不會(huì)過熱。如果溫度升高得太高，它們將打開電路并斷開電池。

大多數(shù)最新的 BMS 使用負(fù)溫度系數(shù) (NTC) 熱敏電阻。它們非常容易接受，可以高速準(zhǔn)確地檢測(cè)電阻的任何變化。

BMS 過熱保護(hù)系統(tǒng)（來源：Integra Sources）

熱 BMS 在充電和放電時(shí)將注意力集中在鋰電池上。首先，它應(yīng)該跟蹤電池內(nèi)部的溫度，以防止其熱失控和著火。

此外，它還必須保護(hù)電池免受不利環(huán)境條件的影響。鋰離子電池對(duì)溫度下降非常敏感。您應(yīng)該在特定溫度下對(duì)它們進(jìn)行充電或放電（參見上圖）。超過限制可能會(huì)導(dǎo)致電池老化、斷電和完全停止。

熱管理系統(tǒng)可應(yīng)對(duì)任何緊急情況。它使用電池冷卻調(diào)節(jié)溫度或關(guān)閉充電器；粉絲；或供暖、通風(fēng)和空調(diào) (HVAC) 系統(tǒng)。

BMSes 中實(shí)現(xiàn)的另一個(gè)特性是散熱。該系統(tǒng)使用它來去除電池中電化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生的多余熱量。該方法包括空氣和液體冷卻以及對(duì)流。

除了電池之外，您還需要確保 BMS 解決方案中涉及的電子設(shè)備的熱管理。適當(dāng)數(shù)量的熱敏電阻和恒溫器可以保護(hù)系統(tǒng)和用戶免受潛在的熱危害。

防火

發(fā)生火災(zāi)的可能性很低，但有時(shí)會(huì)發(fā)生最壞的情況。如果電池發(fā)炎，系統(tǒng)應(yīng)立即提醒您并采取必要措施將其切斷。如果您無法避免電池過熱，請(qǐng)確保您的 BMS 具有防火系統(tǒng)。

挑戰(zhàn)：火災(zāi)是鋰 BESS 最嚴(yán)重的威脅之一。

這就是為什么您必須牢記這項(xiàng)技術(shù)的易燃性并采取一切必要措施來防止可能出現(xiàn)的問題。

然而，由于制造缺陷，您的電池可能會(huì)著火。

電池包和電池板中的缺陷會(huì)導(dǎo)致內(nèi)部短路，從而導(dǎo)致火花、煙霧和火焰。

建議措施：最好在使用前檢查電池是否存在工廠缺陷。它必須對(duì)電池及其包裝、組件和結(jié)構(gòu)進(jìn)行詳細(xì)檢查。

正確安裝、使用、維護(hù)和儲(chǔ)存也可以降低電池起火的風(fēng)險(xiǎn)。在電流、電壓和溫度限制范圍內(nèi)操作可以防止您的鋰離子電池過熱和著火。

通過建立可靠的防火系統(tǒng)，您可以保護(hù)自己和您的 BMS 免受煙霧、火災(zāi)和有毒氣體的影響。

煙霧探測(cè)器可以解決這個(gè)問題。使用 BMS 可以迅速檢測(cè)電池燃燒并連接到電池冷卻和滅火系統(tǒng)。

火災(zāi)處理方法取決于電池大小和點(diǎn)火規(guī)模。手機(jī)或筆記本電腦等小型電池需要放置泡沫滅火器或 ABC 干粉以進(jìn)行防火。水通常用于較大的火災(zāi)，但它必須是大量的自來水來冷卻電池并去除電池分解產(chǎn)生的氧氣。

電池系統(tǒng)越復(fù)雜，其應(yīng)具備的防火保護(hù)就越復(fù)雜。

在我們的一個(gè)項(xiàng)目中，我們?cè)诿總€(gè)電池塊中放置了煙霧傳感器。萬一發(fā)生事故，BMS 會(huì)收到來自探測(cè)器的信號(hào)并打開水管上的閥門。此外，我們還安裝了檢測(cè)、控制和消除管道泄漏的設(shè)備。

BMS 防火系統(tǒng)（來源：Integra Sources）

消防安全對(duì)您的 BESS 認(rèn)證非常重要。它必須符合 UL、NFPA 和其他認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)的要求（了解構(gòu)建 BESS 時(shí)還需要考慮什么）。

網(wǎng)絡(luò)安全

保護(hù)電池免于耗盡并不是 BMS 可以解決的唯一問題。沒有人希望他們的系統(tǒng)遭受攻擊或數(shù)據(jù)被盜。因此，在設(shè)計(jì) BESS 時(shí)要考慮其網(wǎng)絡(luò)安全。

挑戰(zhàn)：很多 BMS 都是物聯(lián)網(wǎng)解決方案。互聯(lián)網(wǎng)連接使用戶能夠遠(yuǎn)距離觀察和控制他們的系統(tǒng)。在這種情況下，總是存在損害信息隱私和統(tǒng)一性的風(fēng)險(xiǎn)。因此，BMS 也容易受到網(wǎng)絡(luò)攻擊。

該系統(tǒng)需要強(qiáng)大的 BMS 安全功能來抵御可能對(duì)電池和相應(yīng) BMS 模塊有害的未經(jīng)授權(quán)的訪問和惡意行為。

建議措施： 通過執(zhí)行不同的保護(hù)程序來保護(hù)您的系統(tǒng)。

首先，確保只有授權(quán)用戶才能訪問和管理系統(tǒng)。為此，您可以添加具有唯一密碼和/或其他身份驗(yàn)證方法的用戶識(shí)別系統(tǒng)。

在自定義 BMS 中，我們?yōu)槲覀兊囊粋€(gè)客戶創(chuàng)建：用戶提交身份驗(yàn)證請(qǐng)求，輸入登錄名和密碼。成功的身份驗(yàn)證需要自動(dòng)授權(quán)。用戶會(huì)收到一個(gè)具有訪問權(quán)限的列表。所有下一個(gè)請(qǐng)求都會(huì)檢查用戶的權(quán)限。

為了數(shù)據(jù)的統(tǒng)一性和安全性，您的通信協(xié)議應(yīng)該具有強(qiáng)大的加密機(jī)制。通過這種方式，BMS 可以維護(hù)元素之間的任何交互，同時(shí)保持 BMS 及其用戶的保密性。

結(jié)論

由于化學(xué)電池類型引起的反應(yīng)的意外和危險(xiǎn)影響，BMS 及其用戶都可能容易受到攻擊。

鋰 BESS 是最具潛在危險(xiǎn)的解決方案之一。這就是為什么在 BMS 中擁有強(qiáng)大的安全保護(hù)如此重要的原因。

BMSes 可以預(yù)測(cè)和消除一系列威脅。常見的鋰電池安全挑戰(zhàn)是：

欠壓和過壓

過電流

極端溫度

自燃

此外，BMS 可以解決一系列與安全相關(guān)的問題，例如網(wǎng)絡(luò)威脅和隱私丟失。

審核編輯：湯梓紅