过流和过热保护

与其他类型的电池一样，锂离子电池在充电和放电过程中也会因化学变化而发生损耗。在锂离子电池中，阳极由涂有碳或石墨化合物的铜箔组成。阴极由锂化合物组成。电极之间的电解质是溶解的锂盐。根据电解液是液态还是固态，我们可以称之为锂离子电池或锂聚合物电池。

电池的主要区别在于阴极材料，包括钴、锰、镍钴、镍钴锰 (NKM)、磷酸铁或钛酸盐。不同的阴极材料具有不同的能量密度、功率密度、标称电压和可能的充电周期。

平稳充电
这种电池单元使用的所谓 IU 充电法，是使用恒流和恒压（恒流 = CC，恒压 = CV）。在这个过程中，首先用恒定电流为电池充电。这可限制充电电流，防止电流过高。恒流充电一直持续，直到达到最终充电电压。之后，以恒定电压继续充电，从而不会超过最终充电电压。充电电流随着电量的增加而减小。

与使用寿命一样，充电时间也取决于许多因素，充电容量越高，首要的是取决于温度。充电和放电时间短，对电极材料有负面影响，从而缩短了使用寿命和循环次数。平稳的充电和放电会大大延长锂离子电池的寿命！

锂镀层
在高充电电流或低温下为锂离子电池充电会导致锂镀层的损坏。锂离子最好沉积在阳极表面上，而不是插入石墨层之间，否则这种效果会导致性能、耐用性和安全性的显著损失。在极端情况下，镀锂甚至会导致短路，或者由于金属锂极易燃烧而导致火灾。 根据电池的质量和设计，500 到 1000 次以上的充电循环是很常见的。当剩余电量少于其原始容量的 80% 时，电池即被视为已磨损。

问题所在
所谓的电池组或电池包通常由几个电池单元或电池块串联组成，以增加额定电压。由于老化，这些电池的容量、内阻和其他参数都会有波动。最弱的电池单元决定装载和卸载电量。

在实际使用串联的多单元电池组时，这会导致电池串联时的充电和放电不同。临界深度放电或过充电发生在电池网络中，或者当单个电池单元过充电并超过最终充电电压时。根据电池的类型，可能会对单个电池单元造成不可逆的损坏。结果是：整个电池组都遭受容量损失。

电池管理系统 (BMS)
BMS 负责控制和监测自主电力电子应用 (E-Power) 中高性能电池组的充电和放电过程，如电动和混合动力汽车、机器人或类似应用。该系统的主要任务是确保各电池单元在装载和卸载期间都不会超过或低于应用的规定荷电状态 (SoC) 限值。SoC 值是电池相对于其标称值的剩余可用容量。该值以完全充电状态的百分比表示。例如：30% 是指相对于完全充电，电池仍有 30% 的剩余电量。根据具体应用，SoC 的上限值和下限值为 20% - 100%（最大功率）或 100%（最大功率）。30% - 70%（最大使用寿命）。

BMS 监测电池电压、电池温度、电池容量、充电状态、电流消耗、剩余工作时间、充电周期等特性。这些控制单元是必不可少的，因为必须将几个电池单元聚集在一起才能获得较高的总电池容量。平衡器在这种电池管理系统中扮演着越来越重要的角色。

电池平衡：被动
一种技术上相对简单且广泛使用的方法是被动平衡。这实际上只有在充电结束，电池组的电池单元几乎完全充满时才起作用。对于那些已经达到最终充电电压的电池单元，平衡器并联一个电阻，从而将电压限制为最终充电电压。然后，该电池单元仅轻微充电或甚至放电，而串联中尚未达到最终充电电压的电池单元，则继续获得满充电电流。并联电阻的功率必须与充电电流相适应，因为多余的能量以热量的形式出现在电阻上。这种方法的优点是成本低，技术层面易于实现。硬币的另一面：充电过程需要很长时间，直到最弱的电池达到所需的 SOC 值。此外，大量能量被浪费在不需要的热量中。这种热量损失对电池单元的使用寿命也有负面影响，并且具有相当大的火灾危险。

电池平衡：主动
主动平衡器要复杂得多，但效率更高。它们用于在电池单元之间转移电荷：电荷较高的电池单元的能量被转移到电荷较低的电池单元。原则上，充电控制由多个开关式稳压器组成，这些开关式稳压器专门针对应用进行优化，并针对每个电池单元运行，主动传输能量。这一过程在装载过程中可能已经发生。然而，与被动平衡一样，它通常只在充电端开始。在双向平衡器系统中，这种电荷交换发生在装载和卸载过程中。因此，双向平衡器甚至更加高效。

主动平衡的一个主要优势是效率显著提高，因为多余的能量只在很小程度上转化为热量。主动平衡目前在电动汽车（EV = 电动汽车，BEV = 电池电动汽车，HEV = 混合动力汽车，PHEV = 插电式混合动力汽车）等领域用于较大的输出 (e-power)。

控制系统的切换工作量越大，初始成本自然也就越高。然而，作为回报，这种电池管理控制系统提供切实的优势。通过具有智能和自适应软件的高级充电控制，这种强电池单元到弱电池单元的电荷重新分配（即使在不同的串联电路中），可以显著延长高性能电池组的使用寿命。

带线圈的主动平衡器的原理电路，分为两步。来源：维基百科

防护
在电动汽车等电力应用中，电池组通常是最大的成本因素。客户要求最大的性能容量、最快的充电过程、长使用寿命以及绝对的可靠性。非简单兼容的需求。

锂电池的功率密度明显高于坚固的铅酸电池。然而，它们对过压和欠压非常敏感。这需要监测和保护，以可靠地防止单个电池单元过早失效、过热甚至短路。这种备份必须能够在多年内正常工作。它们必须能够承受冬天的严寒和夏天的炎热，以及冲击和振动。

它们必须允许最大的充电和放电电流以最小的损耗通过。开启和关闭、加速循环电阻也是不可或缺的。

使用恒流 (CC) 和恒压 (CV) 的 IU 充电方法

定制保险丝
然而，电池组最大的敌人是过热、短路和脉冲过电流。根据高性能电池组的设计和用途，重点必须放在过电流保护和/或温度保护上。然而，在大多数情况下，多个潜在的问题同时出现。实际上，这意味着需要定制的保护解决方案。可能的以及已经实现的是防脉冲组合保险丝，用于防止过电流和过热。这是使用芯片技术来确保必要的机械阻力。

最大的功率密度与最大的安全性和寿命：这种方法不仅适用于单个电池单元，而且适用于整个能量装置。

经济
当然，使用最新的电池技术，并始终提供最高的性能容量并非不可能。然而，这总是伴随着高成本，并且完全缺乏长期经验。由于这个原因，行业倾向于在已经在标准应用（例如笔记本电脑）中被证明过数百万次的成熟技术之上发扬光大。在下一步骤中，优化制造过程，确定输入和输出电流的限制，并开发尽可能多的等级标定机制。智能充电和放电过程在未来将非常重要。优化的平衡结合最高的性能和最长的预期寿命。

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