电池寿命长且安全的BMS解决方案

电池管理系统 （BMS）专注于电池。BMS 任务包括电压和电流控制、热管理解决方案、防火和网络安全。在本文中，我们将解释与电池相关的主要风险以及 BMS 可以克服这些风险的方法。

BMS 电池保护

可充电电池是 BMS 的基石。该组件相当复杂和敏感，需要注意和小心处理。BMS 可以做到这一点。它的所有功能都旨在在尽可能长的时间内充分利用电池。

因此，通过检查充电状态和健康状态，BMS 可以延长电池寿命和性能。通过估计电池组内的能量状态和功率状态以及平衡电池，它可以利用电池的全部潜力，从而利用您的电池储能系统 （BESS）。

根据成分的不同，电池可能对不稳定的环境相当敏感（详细了解 BESS 中使用的电池技术）。超过限制 对电池来说可能是至关重要的，并可能导致其脱落和过早死亡。

此外，电池的挤压可能会对其用户造成伤害。例如，锂基电池在某些情况下因其易燃性和爆炸性而臭名昭著。

配备齐全的 BMS 可以预测潜在危险并保护电池和用户。完善的 BMS 具有防止短路、接地故障和热失控的电池安全系统。因此，BMS 安全系统可提供安全的数据传输并保护您的电池存储系统免受未经批准的使用。

具有实时操作系统的 BMS 可立即对所有更改或威胁做出反应，因此有助于避免过早更换电池和昂贵的维修。

在本文中，我们特别关注 BESS 中最受欢迎的锂离子 （Li-ion） 电池。这种类型的电池需要小心处理，因为它对极端温度、过度充电和持续缺乏充电很敏感。BMS 可以提供这样的治疗。

电压和电流控制

为了控制电池的电流和电压，您必须在充电时提供过流和过压保护，并在电池放电时避免欠压。

挑战：每种电池类型都有建议的充电和放电电流和电压限制。超过这些参数会导致氧化和短路，从而损坏电池并缩短其使用寿命。在最坏的情况下，可能会发生爆炸、火灾和触电。

建议措施：向电池中添加足够的传感器，使BMS能够获得数据并对其进行分析，以采取进一步措施。

因此，该系统可以控制电流、电压和与电压相关的电荷状态。如果偏离允许值，BMS可以使用断路器断开电路并停止对蓄电池充电。

BMS过流和过压/欠压保护系统

BMSE可以警告用户电池可能存在的问题。在这种情况下，系统将发送警报或推送通知，并将其显示在设备面板上。

BMSE以及充电器可以使用恒压/恒流电池充电方法来执行过流和过压保护。其思路如下：

您以恒定电流为电池充电，直到电池达到一定的电压水平。然后在电流下降时以恒定电压为电池充电。当电流具有最低可能值时，充电结束。

您可以在 BMS 的软件和硬件级别安装电压和电流监控。以下是我们用于工业 BMS 解决方案的基本硬件示例：

电流和电压互感器

一个放大器和一个带有电阻分压器的缓冲器，用于增加输出电流和电压的值

将电流和电压值转换为数字信号的模数转换器

用于读取信号的微控制器 （MCU）

我们为 MCU 编写了固件，该固件可以将测量值与电流和电压限制进行比较，然后可以向断路器发送命令。

但在设计保护电路时，必须小心。额外的电子设备不仅会增加 BMS 成本，还会增加内阻并降低电池的功率。

恒压/恒流电池充电（来源：Integra Sources）

热管理

热管理是 BMS 最重要的锂离子电池安全预防措施之一。它包括电池温度控制并处理加热、冷却和空调

挑战：高效的锂离子电池很脆弱。锂是一种非常活泼和易燃的金属，当它与水和空气接触时会立即燃烧起来。

即使是温度的轻微升高或对电池的轻微损坏，也可能导致热失控和短路，从而导致爆炸和火灾。

这就是电池热管理对于基于锂离子的解决方案极为重要的原因。电池可接受的温度为：

32˚F 至 113˚F（0 ˚C至 45 ˚C）用于充电

–4˚F 至 140˚F（–20 ˚C至 60 ˚C）用于放电

32˚F 至 68˚F（0 ˚C至 20 ˚C）用于存放

建议措施：您的 BMS 电池热管理系统可以检查温度是否在限制范围内。要测量电池内部和周围的温度，您可以使用温度传感器或热敏电阻——半导体热敏电阻。

BMS 发现与某些值的偏差并立即采取措施来节省电池。

例如，BMS 可以应用热敏电阻和热熔断器来保护电池在工作期间不会过热。如果温度升高得太高，它们将打开电路并断开电池。

大多数最新的 BMS 使用负温度系数 （NTC） 热敏电阻。它们非常容易接受，可以高速准确地检测电阻的任何变化。

BMS 过温保护系统（来源：Integra Sources）

热 BMS 在充电和放电时将注意力集中在锂电池上。首先，它应该跟踪电池内部的温度，以防止其热失控和着火。

此外，它还必须保护电池免受不利环境条件的影响。锂离子电池对温度下降非常敏感。您应该在特定温度下对它们进行充电或放电（参见上图）。超过限制可能会导致电池老化、断电和完全停止。

热管理系统可应对任何紧急情况。它使用电池冷却调节温度或关闭充电器；粉丝；或供暖、通风和空调 （HVAC） 系统。

BMSes 中实现的另一个特性是散热。该系统使用它来去除电池中电化学反应产生的多余热量。该方法包括空气和液体冷却以及对流。

除了电池之外，您还需要确保 BMS 解决方案中涉及的电子设备的热管理。适当数量的热敏电阻和恒温器可以保护系统和用户免受潜在的热危害。

防火

发生火灾的可能性很低，但有时会发生最坏的情况。如果电池发炎，系统应立即提醒您并采取必要措施将其切断。如果您无法避免电池过热，请确保您的 BMS 具有防火系统。

挑战：火灾是锂 BESS 最严重的威胁之一。

这就是为什么您必须牢记这项技术的易燃性并采取一切必要措施来防止可能出现的问题。

然而，由于制造缺陷，您的电池可能会着火。

电池包和电池板中的缺陷会导致内部短路，从而导致火花、烟雾和火焰。

建议措施：最好在使用前检查电池是否存在工厂缺陷。它必须对电池及其包装、组件和结构进行详细检查。

正确安装、使用、维护和储存也可以降低电池起火的风险。在电流、电压和温度限制范围内操作可以防止您的锂离子电池过热和着火。

通过建立可靠的防火系统，您可以保护自己和您的 BMS 免受烟雾、火灾和有毒气体的影响。

烟雾探测器可以解决这个问题。使用 BMS 可以迅速检测电池燃烧并连接到电池冷却和灭火系统。

火灾处理方法取决于电池大小和点火规模。手机或笔记本电脑等小型电池需要放置泡沫灭火器或 ABC 干粉以进行防火。水通常用于较大的火灾，但它必须是大量的自来水来冷却电池并去除电池分解产生的氧气。

电池系统越复杂，其应具备的防火保护就越复杂。

在我们的一个项目中，我们在每个电池块中放置了烟雾传感器。万一发生事故，BMS 会收到来自探测器的信号并打开水管上的阀门。此外，我们还安装了检测、控制和消除管道泄漏的设备。

BMS 防火系统（来源：Integra Sources）

消防安全对您的 BESS 认证非常重要。它必须符合 UL、NFPA 和其他认证标准的要求（了解构建 BESS 时还需要考虑什么）。

网络安全

保护电池免于耗尽并不是 BMS 可以解决的唯一问题。没有人希望他们的系统遭受攻击或数据被盗。因此，在设计 BESS 时要考虑其网络安全。

挑战：很多 BMS 都是物联网解决方案。互联网连接使用户能够远距离观察和控制他们的系统。在这种情况下，总是存在损害信息隐私和统一性的风险。因此，BMS 也容易受到网络攻击。

该系统需要强大的 BMS 安全功能来抵御可能对电池和相应 BMS 模块有害的未经授权的访问和恶意行为。

建议措施：通过执行不同的保护程序来保护您的系统。

首先，确保只有授权用户才能访问和管理系统。为此，您可以添加具有唯一密码和/或其他身份验证方法的用户识别系统。

在自定义 BMS 中，我们为我们的一个客户创建：用户提交身份验证请求，输入登录名和密码。成功的身份验证需要自动授权。用户会收到一个具有访问权限的列表。所有下一个请求都会检查用户的权限。

为了数据的统一性和安全性，您的通信协议应该具有强大的加密机制。通过这种方式，BMS 可以维护元素之间的任何交互，同时保持 BMS 及其用户的保密性。

结论

由于化学电池类型引起的反应的意外和危险影响，BMS 及其用户都可能容易受到攻击。

锂 BESS 是最具潜在危险的解决方案之一。这就是为什么在 BMS 中拥有强大的安全保护如此重要的原因。

BMSes 可以预测和消除一系列威胁。常见的锂电池安全挑战是：

欠压和过压

过电流

极端温度

自燃

此外，BMS 可以解决一系列与安全相关的问题，例如网络威胁和隐私丢失。

审核编辑：郭婷