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淺析BMS保護(hù)機(jī)制及工作原理

鋰電聯(lián)盟會(huì)長(zhǎng) ? 來(lái)源:鋰電派 ? 作者:鋰電派 ? 2022-11-21 09:53 ? 次閱讀
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電動(dòng)車的電瓶電池有時(shí)候使用的正是鋰電池,這種電池材料存在一定的特性,使其不能被過(guò)充、過(guò)放、過(guò)流、短路及超高低溫充放電,因此鋰電池組總會(huì)有一塊精致的BMS 相伴,BMS指的是是Battery Management System電池管理系統(tǒng),也叫保護(hù)板。

一、BMS功能

首先,我們將詳述其四個(gè)主要功能。

(一)感知和測(cè)量測(cè)量即感知電池的狀態(tài)

這是BMS基本功能,包括一些指標(biāo)參數(shù)的計(jì)量和計(jì)算,其中有電壓、電流、溫度、電量、SOC(state of charge)、SOH(state of health)、SOP(state of power)、SOE(state of energy)。

SOC可以通俗理解為電池還剩下多少電量,其數(shù)值在0-100%之間,這是BMS中最重要的參數(shù);SOH指電池的健康狀態(tài)(或電池劣化程度),是當(dāng)前電池的實(shí)際容量與額定容量的比值,當(dāng)SOH低于80%時(shí)電池便不可用于動(dòng)力環(huán)境。

(二)告警和保護(hù)

在電池出現(xiàn)異常狀態(tài)時(shí),BMS可以向平臺(tái)進(jìn)行告警并進(jìn)行保護(hù)電池并采取相應(yīng)的處理措施,同時(shí),會(huì)將異常告警信息發(fā)送至監(jiān)控管理平臺(tái)并生成不同等級(jí)的告警信息。

如,溫度過(guò)熱時(shí),BMS會(huì)直接斷開(kāi)充放電回路,進(jìn)行過(guò)熱保護(hù),并向后臺(tái)發(fā)出告警。

鋰電池主要會(huì)針對(duì)以下問(wèn)題發(fā)出告警:

過(guò)充:?jiǎn)误w過(guò)壓、總電壓過(guò)壓、充電過(guò)流;

過(guò)放:?jiǎn)误w欠壓、總電壓欠壓、放電過(guò)流;

溫度:電芯溫度過(guò)高、環(huán)境溫度過(guò)高、MOS溫度過(guò)高、電芯溫度過(guò)低、環(huán)境溫度過(guò)低;

狀態(tài):水浸、碰撞、倒置等。

(三)均衡管理

均衡管理的必要性來(lái)自于電池的生產(chǎn)和使用的不一致性。

從生產(chǎn)角度看,每塊電池都有自己的生命周期和特性,沒(méi)有一模一樣的兩塊電池,由于隔膜、陰極、陽(yáng)極等材料的不一致,不同電池的容量也不能完全一致。如組成一個(gè)48V/20AH電池組的各電芯,其壓差、內(nèi)阻等的一致性指標(biāo),均有一定范圍內(nèi)的差異。

從使用角度來(lái)看,在電池充放電的過(guò)程中,電化學(xué)反應(yīng)的過(guò)程中是永遠(yuǎn)不可能一致的。即使是同一塊電池包,也會(huì)因?yàn)闇囟?、磕碰度不同造成電池充放量不同,從而?dǎo)致電芯容量不一致。

因此,電池就需要均被動(dòng)均衡和主動(dòng)均衡。即設(shè)定一對(duì)啟動(dòng)和結(jié)束均衡的閾值:比如,一組電池中,單體電壓極值與這組電壓平均值的差值達(dá)到50mV時(shí)啟動(dòng)均衡,5mV結(jié)束均衡。

(四)通信和定位

BMS有單獨(dú)的通信模塊,作用分別是數(shù)據(jù)傳輸和電池定位,能夠?qū)⒏兄蜏y(cè)量到的相關(guān)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳遞到運(yùn)營(yíng)管理平臺(tái)。

二、BMS保護(hù)工作原理

BMS包括控制IC、MOS開(kāi)關(guān)、保險(xiǎn)絲Fuse、NTC熱敏電阻、TVS瞬態(tài)電壓抑制器、電容及存儲(chǔ)器等。其具體形式如圖所示:

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上圖中,控制IC通過(guò)控制MOS開(kāi)關(guān)實(shí)現(xiàn)電路的導(dǎo)通和關(guān)閉,以保護(hù)電路,F(xiàn)USE在此基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)二級(jí)保護(hù);TH為溫度檢測(cè),內(nèi)部是一個(gè)10K NTC;NTC主要實(shí)現(xiàn)溫度檢測(cè);TVS主要是抑制浪涌。

(一)一級(jí)保護(hù)電路

控制IC上圖的控制IC負(fù)責(zé)監(jiān)測(cè)電池電壓與回路電流,并控制兩個(gè)MOS的開(kāi)關(guān)。控制IC具體可分為AFEMCU: AFE(Active Front End,模擬前端芯片)即電池的采樣芯片,主要用來(lái)采集電芯電壓、電流等。 MCU((Microcontroller Unit,微控制器芯片)主要對(duì)AFE采集來(lái)的信息進(jìn)行計(jì)算和控制。

二者的關(guān)系如圖所示:

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1.AFE

AFE一般是6腳芯片,CO、DO、VDD、VSS、DP和VM,簡(jiǎn)介如下: CO:charge output(充電控制); DO:discharge output(放電控制); VDD:電源電壓,又叫輸出電壓,是電壓最高的地方; VSS:基準(zhǔn)電壓,是電壓最低的地方; VM:監(jiān)測(cè)MOS兩端的電壓值。 在BMS正常的情況下,CO、DO、VDD為高電平, VSS、VM為低電平,當(dāng)VDD、VSS、VM任何一項(xiàng)參數(shù)變換時(shí),CO或DO端的電平將發(fā)生變化。

2. MCU

MCU指的是微控制單元,又稱單片機(jī),具有性能高、功耗低、可編程、靈活度高等優(yōu)點(diǎn)。被廣泛應(yīng)用于消費(fèi)電子、汽車、工業(yè)、通信、計(jì)算、家電、醫(yī)療設(shè)備等領(lǐng)域。 在BMS中,MCU相當(dāng)于大腦,通過(guò)其外圍設(shè)備從傳感器捕獲所有數(shù)據(jù),并根據(jù)電池組的配置文件處理數(shù)據(jù)以做出適當(dāng)?shù)臎Q策。 MCU芯片處理AFE芯片采集的信息,起到計(jì)算(比如SOC、SOP等)和控制(MOS關(guān)斷、導(dǎo)通等)的作用,因此電池管理系統(tǒng)對(duì)MCU芯片的性能要求較高。AFE和MCU通過(guò)控制MOS來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)電路的保護(hù)。

3.MOS

MOS是Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor的縮寫,簡(jiǎn)稱場(chǎng)效應(yīng)管,在電路中起開(kāi)關(guān)作用,分別控制著充電回路與放電回路的導(dǎo)通與關(guān)斷。 其導(dǎo)通阻抗很小,因此其導(dǎo)通電阻對(duì)電路的性能影響很小。正常狀態(tài)下保護(hù)電路的消耗電流為μA級(jí),通常小于7μA。

4.BMS一級(jí)保護(hù)的實(shí)現(xiàn):控制IC與MOS聯(lián)動(dòng)

鋰電池如果過(guò)充、過(guò)放或過(guò)流,將會(huì)導(dǎo)致電池內(nèi)部發(fā)生化學(xué)副反應(yīng),從而嚴(yán)重影響電池的性能與使用壽命,并可能產(chǎn)生大量氣體,使電池內(nèi)部壓力迅速增大,最后導(dǎo)致泄壓閥打開(kāi),電解液噴出發(fā)生熱失控。 在出現(xiàn)上述情況時(shí),BMS將開(kāi)啟保護(hù)機(jī)制,執(zhí)行如下:

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以上內(nèi)容可以簡(jiǎn)述為:

cabb044a-693c-11ed-8abf-dac502259ad0.png

(二)二級(jí)保護(hù)電路:三端熔絲Fuse

出于安全性考慮,仍需增加二級(jí)保護(hù)機(jī)制。當(dāng)前階段,REP(Resistor Embedded Protector,內(nèi)置電阻保護(hù)器)的應(yīng)用度較高,而三端熔絲Fuse相比之下性價(jià)比更高。

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當(dāng)電流過(guò)大時(shí),F(xiàn)use和普通熔絲原理相同,會(huì)被熔斷;而MOS運(yùn)行狀態(tài)異常時(shí),主控控制三端熔絲將主動(dòng)熔斷。 這款安全保護(hù)機(jī)制優(yōu)點(diǎn)主要在功耗小、反應(yīng)速度快、保護(hù)效果好,現(xiàn)階段應(yīng)用性極高,已經(jīng)在電動(dòng)車、手機(jī)等設(shè)備上被廣泛使用。

(三)三級(jí)保護(hù)電路:NTC和TVS1.NTC熱敏電阻

熱敏電阻,顧名思義其對(duì)熱度極度敏感,是可變電阻的一種,主要分為PTC和NTC兩種。

PTC(Positive Temperature Coefficient,正溫度系數(shù)熱敏電阻器),溫度越高,電阻越大,主要用于滅蚊器、暖風(fēng)機(jī)之類產(chǎn)品。

NTC(Negative Temperature Coefficient,負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻器)與PTC相反,溫度越高電阻越低,主要用作電阻溫度傳感器和限流裝置。

鋰電池的BMS一般使用的是NTC,相較之下該產(chǎn)品耗電量較小,精準(zhǔn)度高且反應(yīng)迅速,主要有三大作用。

(1)溫度測(cè)量

利用該電阻的特性,可以測(cè)量以下三個(gè)溫度范疇:

電芯溫度:將NTC熱敏電阻放置在電芯之間,實(shí)現(xiàn)電芯溫度的測(cè)量,需要考慮每個(gè)NTC所覆蓋的電芯數(shù)量情況。

功率溫度:將NTC熱敏電阻放置在MOS之間,實(shí)現(xiàn)功率溫度的測(cè)量,需要在安裝時(shí)確保NTC要與MOS器件緊密接觸。

環(huán)境溫度:將NTC熱敏電阻放置在BMS板上,實(shí)現(xiàn)環(huán)境溫度的測(cè)量,要求安裝位置遠(yuǎn)離功率器件。

(2)溫度補(bǔ)償

大部分元器件的電阻都會(huì)隨著溫度上升而增大,此時(shí)需要用NTC進(jìn)行補(bǔ)償,抵消溫度造成的誤差情況。

(3)抑制浪涌電流

浪涌(electrical surge),也叫突波,即瞬間出現(xiàn)超出穩(wěn)定值的峰值,包括浪涌電壓和浪涌電流。 電子電路在開(kāi)機(jī)時(shí)會(huì)產(chǎn)生較大的浪涌電流,容易對(duì)元器件造成損壞,使用NTC可以防止這種情況的產(chǎn)生,保證電路正常工作。而對(duì)于浪涌的保護(hù)就需要用到TVS。

2.TVS瞬態(tài)電壓抑制器

TVS(Transient Voltage Suppressors)即瞬態(tài)電壓抑制器,它響應(yīng)速度快,適合用于做端口防護(hù)功能。具體執(zhí)行如下:

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當(dāng)電路出現(xiàn)異常高電壓時(shí),TVS會(huì)迅速調(diào)整電阻狀態(tài),將瞬時(shí)電流釋放到地,保護(hù)后級(jí)電路免遭損壞;異常電壓情況結(jié)束后,TVS會(huì)復(fù)原。

三、BMS關(guān)鍵器件的國(guó)產(chǎn)化

目前國(guó)內(nèi)BMS生產(chǎn)制造過(guò)程中極度缺乏相關(guān)核心芯片的研究,尤其是AFE芯片。寧德時(shí)代董事長(zhǎng)曾毓群曾表示,寧德時(shí)代在電池生產(chǎn)過(guò)程中沒(méi)有直接涉及美國(guó)的技術(shù)、材料或是設(shè)備,現(xiàn)在唯一依賴美國(guó)的就是BMS里的芯片。

(一)AFE模擬前端芯片

根據(jù)市場(chǎng)份額來(lái)看,僅AFE芯片的生產(chǎn)廠家來(lái)看,美國(guó)占據(jù)全球70%的市場(chǎng)份額,其中亞德諾半導(dǎo)體德州儀器兩家就已經(jīng)占據(jù)了60%左右,而國(guó)產(chǎn)芯片目前上升較快的廠商為中穎電子、芯海科技和思瑞浦。

(二)MCU芯片

針對(duì)MCU芯片來(lái)看,市場(chǎng)份額主要由歐美、日本和臺(tái)灣地區(qū)企業(yè)占據(jù),僅NXP(荷蘭恩智浦)、Microchip(美國(guó)微芯科技)、ST(意法半導(dǎo)體)、infineon(德國(guó)英飛凌)就占據(jù)超80%的份額,中國(guó)大陸企業(yè)所占份額極小,僅兆易創(chuàng)新和極海半導(dǎo)體成長(zhǎng)較快。

四、BMS問(wèn)題及優(yōu)化方向

BMS不只是BMS研發(fā)廠家的職責(zé),它是一個(gè)系統(tǒng)工程,需要電芯廠家、BMS廠家、PACK廠家,尤其是換電運(yùn)營(yíng)商的共同參與。

(一)換電運(yùn)營(yíng)商

BMS作為鋰電池的管理控制系統(tǒng),實(shí)質(zhì)是將基于用戶需求的運(yùn)營(yíng)經(jīng)驗(yàn),進(jìn)行細(xì)化、總結(jié)、固化到BMS中。而換電運(yùn)營(yíng)商其最接近用戶,最懂用戶的需求,因此,換電運(yùn)營(yíng)商是BMS的主導(dǎo)者。

(二)BMS廠家

BMS廠家最懂電子電路,它基于電芯性能,結(jié)合換電運(yùn)營(yíng)商需求,進(jìn)行BMS架構(gòu)搭建和開(kāi)發(fā),起著承上啟下的作用。但其弱點(diǎn)也非常突出,主要表現(xiàn)在對(duì)電芯的理解深度還不夠理想,導(dǎo)致管控策略和電芯實(shí)際存在差異。

(三)電芯廠家

電芯廠家最懂化學(xué),這其實(shí)是整個(gè)BMS管控的基礎(chǔ)所在,因?yàn)锽MS的一切管控都是基于電芯和電池組進(jìn)行的。但目前,電芯廠家對(duì)電子電路的理解還需要提升,比如哪種信息采集方式可以采集到最準(zhǔn)確的電芯信息。

(四)PACK廠家

PACK廠家是將電芯與BMS組裝成電池組,其對(duì)電芯的排列、BMS位置的擺放和組裝的加工工藝等都影響著BMS功能實(shí)現(xiàn)的程度和準(zhǔn)確性。PACK廠家需要根據(jù)換電運(yùn)營(yíng)商的要求,從產(chǎn)品質(zhì)量出發(fā),以最后把關(guān)的視角對(duì)電芯和BMS廠家提出相關(guān)要求。 因此,BMS保護(hù)邏輯的設(shè)計(jì)是運(yùn)營(yíng)經(jīng)驗(yàn)的積累和固化,而保護(hù)邏輯的有效落地需要以電芯為基礎(chǔ)的電路設(shè)計(jì)以及產(chǎn)品性價(jià)比的提升。電芯廠家、BMS廠家、PACK廠家要在換電運(yùn)營(yíng)商的主導(dǎo)下,既做好本職專業(yè),又做好相互協(xié)同,形成BMS產(chǎn)品系統(tǒng)集成的合力,而這將是今后BMS發(fā)展和問(wèn)題解決的必由之路。

審核編輯 :李倩

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原文標(biāo)題:淺析BMS保護(hù)機(jī)制及工作原理

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    開(kāi)關(guān)的工作原理 電流平衡原理 :在正常情況下,電路中的電流進(jìn)出是平衡的。漏電保護(hù)開(kāi)關(guān)通過(guò)監(jiān)測(cè)電流的進(jìn)出平衡狀態(tài)來(lái)檢測(cè)是否存在漏電現(xiàn)象。 零序電流檢測(cè) :漏電保護(hù)開(kāi)關(guān)內(nèi)部裝有一個(gè)零序電流互感器,它可以檢測(cè)到三相電流的矢量和。當(dāng)三相
    的頭像 發(fā)表于 07-31 16:30 ?4208次閱讀

    控制與保護(hù)開(kāi)關(guān)的工作原理及結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

    控制與保護(hù)開(kāi)關(guān)(Control and Protective Switch,簡(jiǎn)稱CPS)是一種集控制、保護(hù)于一體的電氣設(shè)備,廣泛應(yīng)用于工業(yè)、民用建筑等領(lǐng)域。 一、控制與保護(hù)開(kāi)關(guān)的工作原理
    的頭像 發(fā)表于 07-31 15:03 ?3839次閱讀

    浪涌保護(hù)器的工作原理和作用

    浪涌保護(hù)器的工作原理 浪涌保護(hù)器(Surge Protective Device,簡(jiǎn)稱SPD)是用于限制瞬態(tài)過(guò)電壓并通過(guò)分流來(lái)保護(hù)電氣設(shè)備的裝置。當(dāng)電力系統(tǒng)中出現(xiàn)過(guò)電壓(如雷擊、電網(wǎng)操
    的頭像 發(fā)表于 07-29 11:00 ?1285次閱讀
    浪涌<b class='flag-5'>保護(hù)</b>器的<b class='flag-5'>工作原理</b>和作用