電池管理系統(BMS)是一個電子系統或電路，監測充電，放電，溫度和其他影響電池或電池組狀态的因素。它用于監視和維護電池的健康狀況和容量。
今天的 BMS 裝置是先進的，經常會提供彈出式通知，就像你在筆記本電腦或智能手機上經曆的那樣。這些系統至少應提供:
- 電池壽命和整體健康狀況(健康狀況)
- 溫度和狀态監測(安全操作區)
- 電壓監視(充電狀态)
- 充電時間
電池管理系統也可能根據應用程式提供額外的特性。例如，在電動汽車中，一個 BTS 顯示器可以報告在下一次充電前車輛可以安全行駛多少英裡或公裡。
在本文中，我們将了解電池管理系統如何工作，包括如何計算和監視電池壽命。
由 BMS 提供的筆記本電腦需要充電前電池壽命的典型訓示。
了解 BMS 電池管理系統可以預測電池的健康狀況和容量，其總體目标是準确地顯示剩餘的使用時間。它還經常監控電池的充電和放電。
一般來說，BMS 從電池接收輸入信号，監控信号，在算法中處理，然後生成輸出信号。輸出資料包括變化狀态(SOC)、健康狀态(SOH)以及故障和狀态信号。
BMS 可以用于單個電池或多個電池組。下面的電路顯示三個單元串聯在一起，BMS 測量總電壓，以及每個單元的電壓。它還通過分流電流或霍爾效應傳感器監測電流。
還有金屬氧化物半導體場效應半導體(mosfet) ，如充電或放電控制場效應發射器(CFETs 和 dfet) ，提供內建的充電和放電能力。這些 mosfet 提供了額外的安全優勢，在故障條件下終止充電或負載。在這種情況下，充電器和負載連接配接到“通信”
安全操作區
一個 BMS 提供安全和可靠的電池使用。例如，它可以保護電池免受過高或過低的溫度條件，免受過充或過放電。
工作溫度和工作電壓應該始終在安全工作區域(SOA)内，如下面的電壓與溫度曲線圖所示。圖中的數值應該始終跟随 BMS 制造商的資料表，因為不同的系統是可用的。
如果電池的溫度超過 SOA 由于過熱或過熱的條件，這是一個超溫條件。它被認為是危險的，因為它可以融化電池和電路。一個塑膠電池盒通常會在華氏200度左右開始軟化，在華氏300度以上開始融化。在極端情況下，電池也可能熔化或爆炸。
就像高溫會加速化學反應一樣，低溫也會減慢化學反應的速度。低溫狀态可能由低溫或冰凍溫度引起，這也可能影響電池及其提供電力的能力。
如果電壓超過其理想狀态極限，并且超過 SOA，那麼就是過充電，這會損壞電池，使其失去功能。當電壓下降到其狀态極限以下時，就被認為是欠充電。這四種情況都可能損壞電池，或者有危險。
一個可靠的 BMS 監視電路中的每個單元，并提供保護，如果電池的充電超過任何理想狀态，則終止電池的充電。
健康狀态
健康狀态(SOH)是指電池與其理想狀态相比的容量或電流狀态。SOH 幫助确定可用或剩餘電池壽命的百分比。
在下圖中，電池的容量随着充電或放電循環而減少。
如何确定 SOH？
随着電池壽命的延長，電池的阻抗、電導等參數會發生變化，這些參數可以用來确定電池的 SOH。當這些參數增加時，電池的性能随着溫度的升高而降低。
阻抗是測量電路在施加電壓時對電流的阻抗。電導是物體導電的程度，計算方法是電流的比率。
為了測量 SOH，需要記錄初始阻抗或電導，這通常在制造商的資料表中提供。為了測試電池的阻抗或電導，在電池上施加一個已知頻率和振幅為“ e”的小交流電壓，并測量相應流動的同相交流電流“ i”。
阻抗為 z = e/i (“ e”是電池上的交流電壓，“ i”是流過電池的交流電流)
電導為 c = i/e
比如說..。
E = 0.0024 v，i = 0.0033 a z = 0.0024/0.0033 = 0.072歐姆
阻抗和電導呈反比關系，阻抗增大，電導減小。
現在，假設我們接收到一個測量70毫歐姆的阻抗，但是，一開始，它是50毫歐姆。
阻抗百分比 = (電流阻抗/初始阻抗) x100
= (70/50) x100
增加阻抗百分比 = 阻抗百分比 -100
= 140-100 = 40%
阻抗增加了40% 。現在，讓我們計算 SOH。
該電池的初始容量為1000mah，阻抗增加了40% 。
容量損失 = (阻抗百分比/100) x 總初始容量
= (40/100) x1000 = 400mAh
初始容量損失總額
溫度也可以通過阻抗百分比來測量，假設初始百分比是40攝氏度。
電流溫度 = (阻抗百分比/100) x 初始溫度 + 初始溫度
= (40/100) x40 + 40
= 56 C
在這種情況下，随着阻抗的增加，電池的溫度也會增加，如下圖所示。
荷電狀态荷電狀态(SOC)
表示電池中剩餘的電量或能量，并用電池剩餘容量超過電池總容量的值來計算。電荷狀态可以用百分比表示如下..。
SOC 百分比 = (SOH/總容量) x100
雖然這個公式提供了 SOC 的百分比，但它并不完全準确，因為它沒有考慮到電池的總容量會随着時間的推移而減少這一事實。最終，電池将無法實作100% 的充電。是以，公式中的總容量就是 SOH 值。
如果最初的電池容量是1000mah，而 SOH 現在是500mah，剩餘容量是300mah，那麼..
有機碳百分比 = (300/500) x100 = 60%
SOC 是如何确定的？
确定充電狀态最簡單的方法是測量電池的充放電電壓。然而，這并不是測量電池容量的理想方法，因為電池沒有一個線性的充電或放電曲線。是以，并不是每一個讀數都能被準确地表達出來。
例如，考慮一下下面圖表中的锂離子電池的充電和放電曲線。充電和放電電壓逐漸改變電池的狀态，直到最終放電保持穩定。
測量電池容量的理想方法是通過庫侖計數，測量随時間變化的輸入和輸出電流。它計算了一段時間内的放電電流，如果充電電流是相同的方式，則從值中減去它。
總容量-(放電電流-充電電流)
根據電池測量系統的不同，有幾種不同的方法可用來測量電流中的放電或充電。這裡有一些:
電流分流器: 分流器是一個低歐姆電阻器，用于測量電流，通常，當電流超過測量裝置的範圍時。整個電流流過分流器并産生一個電壓降，然後進行測量。這種方法有一個輕微的功率損失跨電阻和加熱電池。
霍爾效應: 當器件置于磁場中時，該傳感器測量器件電壓的變化。它消除了電流分流器典型的功率損耗問題，但成本昂貴，無法承受大電流。
巨磁阻效應(GMR) : 這些傳感器用作磁場探測器，比霍爾效應傳感器更靈敏(也更昂貴)。它們非常精确。
庫侖計數: 如前所述，庫侖涉及測量流入或流出電池的電流量。下面是一個圖表，描繪了在不同時間測量的電流，以确定總放電電流相對于時間。
庫侖測量是相當複雜的，但可以由單片機完成。
參考資料:
- https://batteryuniversity.com/learn/article/how_to_monitor_a_battery
- https://www.mpoweruk.com/soh.htm
- https://www.mpoweruk.com/testing.htm#impedance
- https://www.lithiumpowerinc.com/custom-lithium-battery-packs.htm
白紀龍老師從事電子行業已經有15個年頭，
到目前為止已開發過的産品超上百款，目前大部分都已經量産上市，
從2018年開始花了5年的時間，
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