通过锂电池原理来设计BMS系统

一路上

1、前言

随着科技的发展，电池应用已经进入了大家的工作和生活的方方面面。小到手机电池，大到城市的储能站，无处不见锂电池的身影。锂电池的应用场景也多样化，复杂化，对电池充放电电路也提出了更高要求。只有大家了解锂电池才能设计出更优秀电池管理系统（BMS），下面将介绍锂电池原理和物理特性。

2、锂电池的材料成分

锂电池是一种充电电池，它一般采用含有锂元素的材料作为电极，主要依靠锂离子在正极和负极之间移动来工作。电池材料为正、负极、隔膜、电解液、外壳。

2.1 正极与负极
锂电池的正极是将正极材料（如LFP、NCM）涂布在铝箔（集流体）上，负是将负极材料（如石墨、LTO）涂布在铜箔（集流体）上。

2.2 隔膜
正负极之间有—种经特殊成型的高分子薄膜，薄膜有微孔结构，使正负极隔离，防止电子穿过，同时又能使锂离子顺利通过。

2.3 电解液
电解液在电池中起到传导锂离子的作用。放电时电子和锂离子Li+都是同时行动的，方向相同但路径不同，电子从负极通过外部电路跑到正极；锂离子Li+从负极“跳进”电解液里，“爬过”隔膜上的微型小孔，“游泳”到达正极，与早就跑过来的电子结合在一起。电池的充电过程则刚好相反。

我们通常所说的电池容量指的就是放电容量，下图为锂电池内部结构。

3、锂电池工作原理及衰减

如果把正极比作“高位水池”，负极比作“低位水池”，Li+(锂离子)比作“水”。那么放电就是水从高位水池流到低位水池产生的能量，充电就是低位水池回到高位水池补充能量的过程。从这个比喻中我们可以想象无论是那个水池年久失修，以及水源的流失，最终都会导致了整体的衰减。

那么我们可以初步通过这个类比模型来理解电池衰减的可能原因：

3.1 容量衰减
相当于城市的生产总值下降了，可能是就业岗位减少，居住成本太高或居住环境劣化，以及就业人口流失。对应的也就是正负极活性材料减少和可移动的Li+(锂离子)减少。

3.2 内阻增加
相当于两个水池的通过水管流动，水管堵塞时通过的水流减小，流通的阻力变大。也就是电池欧姆阻抗增大，导电性能下降，Li+(锂离子)运动路径劣化。

3.3 自放电率
国内通用的标准是<3%、SOC：60%；很多国产锂电池在60%状态下放半年约放电5%，平均每个月不到1%。自放电相当于水池在漏水，水池里的水资源流走却没有创造效益；也就是Li+异常损耗，电池内部微短路。

4、衰减原因分析

4.1 正负极材料脱落和老化
电池使用时不断的充放电过程中正负极会不断进行收缩和膨胀变化，不可避免的会产生正负极材料在集流体上的脱落，使得可嵌入锂离子的晶格数量下降，从而影响了电池容量。随着使用次数的上升，这个是无法避免的。

4.2 产生析锂（过流、低温）
当电池超过可承受最大电流运行的时候，大量的锂离子来不及嵌入电极，导致在电极表面大量的锂离子堆积，最终在电极表面形成了金属锂枝晶。锂离子变少了，电池容量自然降低。

4.3 隔膜损伤（高温）
首先电池电极表面形成金属锂枝晶，则就有可能刺穿隔膜，引发正负极的短路。除此之外隔膜在高温环境下会分解和收缩，这种情况下也会引起短路。而一旦正负极短路，那么电子就无需通过外部电路即可到达正极，那么电池的整个电化学反应就失控了，产生过流、过温的现象从而进一步损伤电池，并引起热失控等更严重的问题。

4.4 电解液的损耗和分解（过压、欠压）
电池电解液的配方是根据该电池的电压工作区间确定，因此不合理的使用电池（过压欠压）也会造成电解液的分解。例如当电池过充时，即正极材料化合价升高（过多失去电子），此时正极材料还原性很强，就容易通过与电解液发生反应来得到电子，反应不仅消耗了电解液和正极材料，同时还会生成气体引发机械形变和漏液的隐患。

5、锂电池管家（BMS）

跟据上面电池工作原理和衰减原因分析，确保电池长寿命安全稳定的工作的前提在于始终保持电化学反应的可控和有序。可以监控锂电池的电压、电流、负载、温度等信息，通过硬件和软件控制让锂电池工作状态；防止过压、欠压、过温、过流等情况发生对电池的衰减加剧，并且引发更为严重的安全问题。

为了准确的知道锂电池的工作状态，需要先做一个电池各种状态精准的物理模型。然后把采集电池工作时的各种数据通过算法算实际状态信息，再把实际状态信息和电池物理模型对比得出电池的工作状态。

除了电压、电流、负载保护外；通电流、电压、温度的变化调整电池的工作状态，比如：被动容量均衡、主动容量均衡等。

6、学习资料与交流

• BMS系统设计入门（上中下）
• BMS被动均衡让电芯容量相同
• BMS主动电池单元平衡
• 电压电流功率检测器INA226使用教程
• SH367309实例IIC详解&手册+PCB
• 基于Simscape搭建的锂电池模型
• 改进自适应无迹卡尔曼滤波的锂电池SOC估计
• BMS技术群:801836322