分析（BMS）鋰電池保護(hù)板如何實(shí)現(xiàn)保護(hù)和系統(tǒng)設(shè)計(jì)思路-KIA MOS管
信息來源：本站 日期：2018-10-11
首先一定要弄懂2個(gè)定義，什么是BMS？什么是鋰電池保護(hù)板？
鋰電池組成主要有兩大部分，鋰電池芯和保護(hù)板，鋰電池芯主要由正極板、隔膜、負(fù)極板、電解液組成；正極板、隔膜、負(fù)極板纏繞或?qū)盈B，包裝，灌注電解液，封裝后即制成電芯，鋰電池保護(hù)板的作用很多人都不知道，鋰電池保護(hù)板，顧名思義就是保護(hù)鋰電池用的，鋰電池保護(hù)板的作用是保護(hù)電池不過放、不過充、不過流，還有就是輸出短路保護(hù)。
BMS其實(shí)就是BATTERY MANAGEMENT SYSTEM的縮寫，中文名字叫電池管理系統(tǒng)，顧名思義，是專門用來進(jìn)行鋰電池運(yùn)行管理的模塊，對(duì)象是鋰電池。對(duì)于一般的終端用戶而言，鋰電池保護(hù)板其實(shí)并不存在，或者說，他們并不知道正在自己使用的產(chǎn)品中還有這么一個(gè)東西。比如說電動(dòng)車，100%的用戶都知道電動(dòng)車上面有電池，因?yàn)殡姵靥峁┝四茉?，但我敢保證，最多有1%的用戶知道還有鋰電池保護(hù)板這個(gè)東西的存在。
BMS的存在感之所以如此低，完全是因?yàn)樗⒉荒芎陀脩舢a(chǎn)生直接的交流，也并不能與用戶發(fā)生頻繁的交互，就算是偶爾產(chǎn)生了一些數(shù)據(jù)，不過這些數(shù)據(jù)也是通過某些儀表盤傳遞給用戶觀測，當(dāng)用戶看見儀表盤上的紅燈時(shí)只會(huì)說：“嗯，車子好像是壞掉了，質(zhì)量真差?！?/span>
話說回來，BMS雖然存在感低，不過它存在的意義卻是絲毫不亞于儀表，甚至可以說是比儀表還重要，因?yàn)樗梢詸z測出這輛車子的能源系統(tǒng)是否壞掉了，只有擁有BMS系統(tǒng)，用戶才可能在不冒險(xiǎn)的情況下知道這輛車到底是好是壞。
如果有一個(gè)行業(yè)內(nèi)的嵌入式工程師要買一輛電動(dòng)車，在一輛沒有顯示儀表和BMS板子的電動(dòng)車中進(jìn)行選擇，那么他肯定不敢選后者，因?yàn)槿绻妱?dòng)車沒有了儀表，那么用戶體驗(yàn)會(huì)極差，但如果電動(dòng)車沒有了BMS……與其說是一輛電動(dòng)車，還不如說是一輛隨時(shí)可能發(fā)生被激活的炸彈。
那么BMS在能源領(lǐng)域?yàn)槭裁慈绱酥匾?？BMS的存在到底有什么意義？
本文便從一個(gè)底層工程師的角度，以電動(dòng)車用的BMS模塊作為例子專門對(duì)鋰電池的保護(hù)板設(shè)計(jì)進(jìn)行一些探討，并且會(huì)給出一個(gè)參考方案，當(dāng)然由于筆者能力有限，水平一般，如果文中出現(xiàn)了錯(cuò)誤或者紕漏，請(qǐng)直接指出。
BMS的大體需求是什么？
當(dāng)設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)拿到一個(gè)項(xiàng)目，開始開發(fā)的時(shí)候，首先必須要搞清楚的便是項(xiàng)目的需求，這個(gè)需求可不僅僅是老板口頭上說幾句話，而是需要一個(gè)切實(shí)的、詳細(xì)的、標(biāo)準(zhǔn)的文檔，文檔要以1、2、3為結(jié)構(gòu)，明確的把所有的需求點(diǎn)給羅列出來。我們現(xiàn)在拿到了一個(gè)項(xiàng)目：低速電動(dòng)車的BMS板。
只要項(xiàng)目立項(xiàng)成功，那么作為產(chǎn)品經(jīng)理，或者團(tuán)隊(duì)leader，則列出需求文檔是必須要做的事情。鋰電池管理系統(tǒng)，其中重點(diǎn)二字在于“管理”，要想實(shí)現(xiàn)管理功能，必然需要兩個(gè)模塊，第一：監(jiān)測。第二：控制。只有在我能夠監(jiān)測這個(gè)系統(tǒng)的前提下，我才能控制這個(gè)系統(tǒng)。
由此為核心點(diǎn)，我便可以慢慢的羅列出大致需求：
1、監(jiān)測能源系統(tǒng)，能夠?qū)崟r(shí)讀出鋰電池的所有狀態(tài)。
2、控制能源系統(tǒng)，根據(jù)鋰電池的狀態(tài)，在需要的時(shí)候進(jìn)行干預(yù)（比如斷開/閉合充放電回路的MOS管）。
數(shù)據(jù)采集
電池系統(tǒng)的大致需求分為采集和控制，那么采集的都會(huì)有什么數(shù)據(jù)？
1、電壓
2、電流
3、溫度
作為一個(gè)以管理鋰電池的系統(tǒng)而言，以上3點(diǎn)是我們要重點(diǎn)監(jiān)測的數(shù)據(jù)，如果系統(tǒng)超級(jí)簡單，采集的點(diǎn)只有3、4個(gè)，那么直接使用MCU的AD接口進(jìn)行讀取信息便可，但在實(shí)際中幾乎不可能存在這種情況，通常所用的采集的方式一般是使用模擬前端。
系統(tǒng)信息
電壓：鋰電池本身的化學(xué)特性決定了我們必須要對(duì)電壓進(jìn)行保護(hù)，所謂的電壓保護(hù)，是我們必須要保證鋰電池的電壓永遠(yuǎn)在合適的范圍之類，不能讓電壓過低，因?yàn)槠鋬?nèi)部存儲(chǔ)電能是靠電化學(xué)一種可逆的化學(xué)變化實(shí)現(xiàn)的，過度的放電會(huì)導(dǎo)致這種化學(xué)變化有不可逆的反應(yīng)發(fā)生，因此鋰電池最怕過放電，一旦放電電壓低于2.7V，將可能導(dǎo)致電池永久性損壞，也就是報(bào)廢。同時(shí)也不能讓電壓過高，因?yàn)殡姵匾坏┻^度充電，導(dǎo)致的危害遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于過放，過放最多損壞電池，不會(huì)對(duì)周圍造成危害，而過充則可能導(dǎo)致電池溫度升高，以至于發(fā)生自燃甚至爆炸，這種危害是致命的。
電流：所謂的電流保護(hù)，也是我們必須要保證，無論是充電還是放電，電流都不能過大，大家都清楚的短路便是過流的一種體現(xiàn)，當(dāng)系統(tǒng)正負(fù)極直接接觸，導(dǎo)線電阻極小，導(dǎo)致電流極大，極大的電流又會(huì)產(chǎn)生大量的熱，從而引發(fā)的燃燒和爆炸是很致命的。其實(shí)，就算不是短路，但過大的電流依然會(huì)導(dǎo)致電池內(nèi)部發(fā)熱，這樣也極有可能會(huì)造成永久性的損害。
溫度：溫度保護(hù)不用多言，除開鋰電池本身的化學(xué)特性導(dǎo)致它不能在極端溫度下使用之外，我想任何一個(gè)類似的系統(tǒng)，為了安全起見都應(yīng)該考慮到溫度。
看到這里大家也應(yīng)該明白了，鋰電池保護(hù)系統(tǒng)的邏輯其實(shí)很簡單，無非就是一些判斷，以及MOS管的控制，這些東西只要是有過軟件基礎(chǔ)的大學(xué)生應(yīng)該都能實(shí)現(xiàn)。
現(xiàn)在將上面的保護(hù)細(xì)分：
一個(gè)鋰電池包，本身并不是一個(gè)整體，如果拆開它的外包裝就能發(fā)現(xiàn)，它其實(shí)是由N個(gè)18650電池經(jīng)過串并連所組成。
比如我們手上的48V20AH的鋰電池包，它的組成是，每N個(gè)鋰電池并聯(lián)，作為一個(gè)子單元，然后在由16個(gè)這樣的子單元串聯(lián)，最終才形成一個(gè)鋰電池包，若論單個(gè)18650電池的數(shù)量，至少有上百個(gè)之多。
由此，如果我們想要監(jiān)測并且保護(hù)系統(tǒng)的電壓情況，自然不能簡單的只采集一個(gè)總體電壓，考慮到電池均衡等特性，雖然不用對(duì)每個(gè)電池進(jìn)行采集和控制，但作為組成電池包的每一串的單體電壓是必須要監(jiān)測的。如果一個(gè)16串的鋰電池包，那么需要監(jiān)控的電壓點(diǎn)自然不能低于16個(gè)（這就是為什么需要模擬前端的原因，系統(tǒng)采集點(diǎn)過多，一般的MCU不可能滿足）。等采集到了單體電壓和總電壓以后，我們就可以進(jìn)行邏輯設(shè)計(jì)了。
電壓保護(hù)相關(guān)的項(xiàng)目：
1、總體電壓
1、總體過壓保護(hù)
2、總體欠壓保護(hù)
2、 單體電壓
1、單體過壓保護(hù)
2、單體欠壓保護(hù)
※一般更容易觸發(fā)的保護(hù)當(dāng)然是單體，如果每一串電池的電壓的都沒問題，那么總體電壓自然也不會(huì)有問題。
保護(hù)過程：系統(tǒng)采集電壓量，進(jìn)行判斷，一旦檢測到某項(xiàng)指標(biāo)超過設(shè)定的保護(hù)值，并且系統(tǒng)的狀態(tài)符合保護(hù)條件（充電時(shí)不進(jìn)行欠壓保護(hù)，放電時(shí)不進(jìn)行過壓保護(hù)），然后持續(xù)了一定時(shí)間（防止抖動(dòng)），那么斷開充放電回路并進(jìn)行報(bào)警，至于是斷開充電還是放電，根據(jù)實(shí)際情況決定。那么保護(hù)之后該如何恢復(fù)？總不能讓電動(dòng)車一次過充電后就永遠(yuǎn)報(bào)廢吧？
系統(tǒng)發(fā)生了保護(hù)，今后自然還有恢復(fù)的時(shí)候，如果系統(tǒng)發(fā)生了單體電壓保護(hù)，那么可以設(shè)定恢復(fù)值，等待電壓自然恢復(fù)到合適范圍，并且持續(xù)了一定時(shí)間以后（防止抖動(dòng)），便可以重新打開充放電回路。
※恢復(fù)值和保護(hù)值最好不要完全一樣，這樣可以給系統(tǒng)留出一些余量，也可以防止抖動(dòng)的發(fā)生。
以下是關(guān)于電壓保護(hù)簡易的邏輯表：
電流的保護(hù)與電壓不同，它自然不會(huì)分為總體和單體，下面的鋰電池由幾個(gè)串組成對(duì)電流這個(gè)信息而言毫無意義，它關(guān)心的只是一個(gè)在負(fù)載/充電機(jī)回路上的總體量。
保護(hù)過程：電流是有方向的，因此我們?cè)诒Ｗo(hù)中也要考慮到這一點(diǎn)，放電過程中，電流從電池正極流出，經(jīng)過負(fù)載后再回到電池負(fù)極，充電過程中，電流從充電機(jī)的正極流出，經(jīng)過了電池后再回到充電機(jī)負(fù)極，這是兩個(gè)完全相反的過程。
假設(shè)我們?cè)O(shè)定充電過程的電流為正，那么放電時(shí)電流必然為負(fù)，在保護(hù)判斷中，等進(jìn)入了模塊后，我們用其絕對(duì)值與保護(hù)參數(shù)比較，當(dāng)超過正常值時(shí)斷開充放電回路（電流保護(hù)只關(guān)心最大值，不用關(guān)心最小值），這個(gè)過程與電壓保護(hù)大同小異。
※電流過大產(chǎn)生熱量累積這是一個(gè)持續(xù)的過程，所以在電流上一般會(huì)有兩重保護(hù)，第一重保護(hù)的設(shè)定值比較小，延時(shí)時(shí)間比較長，第二重保護(hù)的設(shè)定值比較大，延時(shí)時(shí)間很短。比如說電流>1A，500ms后保護(hù)，電流>5A，10ms后保護(hù)。
當(dāng)電流保護(hù)發(fā)生以后，我們并不能像電壓恢復(fù)一樣實(shí)時(shí)讀取數(shù)據(jù)，因?yàn)橐坏┪覀儼殉浞烹娀芈窋嚅_以后，回路上的電流瞬間就變成了0A，要想恢復(fù)保護(hù)狀態(tài)，一般有兩種條件：第一，不需要人工干預(yù)，在經(jīng)過一段時(shí)間之后，自動(dòng)打開回路，如果此刻依然為過流狀態(tài)，那么系統(tǒng)又會(huì)進(jìn)入保護(hù)，這樣反復(fù)來個(gè)幾次，便可以將系統(tǒng)的狀態(tài)設(shè)置為故障了。第二，需要人工干預(yù)，等負(fù)載或者充電機(jī)移除后，打開回路。
短路保護(hù)其實(shí)也是電流保護(hù)的一種，只不過當(dāng)系統(tǒng)短路以后，電流理論上會(huì)變成無限大，這樣產(chǎn)生的熱量也是無限大，如果要等到軟件反應(yīng)過來然后保護(hù)，系統(tǒng)說不定早就完蛋了，因此，對(duì)于短路保護(hù)一般是采用硬件來自動(dòng)觸發(fā)，觸發(fā)后傳遞給MCU一個(gè)信號(hào)即可。
溫度保護(hù)比較簡單，一般的邏輯就可以實(shí)現(xiàn)，溫度值有上限也有下限，甚至在細(xì)分還可以分為充電時(shí)的溫度保護(hù)以及放電時(shí)的溫度保護(hù)，根據(jù)項(xiàng)目的實(shí)際需要設(shè)計(jì)邏輯即可。需要注意的是，在實(shí)際的測試中發(fā)現(xiàn)，溫度是一個(gè)比較容易抖動(dòng)的值（這和選用的傳感器有關(guān)，比如使用熱敏電阻），所以在判斷的時(shí)候保護(hù)值和恢復(fù)值一定要做出一個(gè)合理的區(qū)間，不然系統(tǒng)會(huì)不穩(wěn)定。
鋰電池系統(tǒng)中除了以上3個(gè)正常的保護(hù)量之外，還需要有一個(gè)保護(hù)措施，那便是均衡保護(hù)。上面說過，一個(gè)鋰電池包由N串電池組成，根據(jù)化學(xué)特性，如果某兩串電池的電壓相差過大，這就會(huì)造成電量的不均衡，比如一串電池的電壓是3.6V，另一串電池的電壓是2.5V，相差如此之大，那么這樣的電池基本上已經(jīng)可以說是報(bào)廢了。
所以系統(tǒng)中也需要這樣的判斷，最大單體電壓和最小單體電壓的差值如果達(dá)到了某個(gè)極限，導(dǎo)致出現(xiàn)故障的概率極大，那么無論是放電還是充電都不應(yīng)該在繼續(xù)進(jìn)行。為了盡量避免這種情的出現(xiàn)，在BMS系統(tǒng)中就應(yīng)該設(shè)計(jì)電壓均衡功能。
電壓均衡分為主動(dòng)與被動(dòng)，被動(dòng)均衡是設(shè)計(jì)硬件電壓，使用電壓比較器，當(dāng)某串電池電壓與其它電池電壓相比過高時(shí)（比如相差達(dá)到50ms），或是使用別的元件來消耗掉高電壓電池的電量，或是將高電壓電池的電量灌入低電壓電池中。主動(dòng)均衡在原理上也一樣，只不過可以由程序來控制均衡的更多細(xì)節(jié)，用串轉(zhuǎn)并的譯碼器作成開關(guān)電路，控制系統(tǒng)只在充電過程中均衡，可以更為靈活的設(shè)定均衡的電壓閾值等等。
從20世紀(jì)末到21世紀(jì)初，電池行業(yè)的發(fā)展可以用“迅猛”二字形容，鉛酸電池、鎳氫電池以及鎳鎘電池一直被使用至今，其發(fā)展時(shí)間之久也基本上超過一個(gè)世紀(jì)了。而電池產(chǎn)業(yè)的發(fā)展并不止局限于此，最新的代表作則是鋰電池行業(yè)的崛起。說道鋰電池，基本上每個(gè)人都對(duì)其略知一二，因?yàn)槲覀兊纳钪車幪幎荚谑褂盟?。像手機(jī)、筆記本、攝像機(jī)等等，類似于這樣的數(shù)碼產(chǎn)品，基本上電池都采用的是鋰電池。相對(duì)于早期的鎳氫電池來講，鋰電池更加耐用，續(xù)航能力更強(qiáng)。
說到鋰電池，就不得不提一下鋰電池保護(hù)板，因?yàn)殇囯姵馗黜?xiàng)安全指標(biāo)全靠鋰電池保護(hù)板的支持。而且鋰電池因?yàn)槠渥陨淼膮?shù)也都不盡相同，所以對(duì)應(yīng)的保護(hù)板的類型也是不一樣的。通俗的來講，鋰電池一般都要有一個(gè)與之對(duì)應(yīng)的鋰電池保護(hù)板輔助其工作。因?yàn)殇囯姵匦枰谡５碾娏饕约半妷合鹿ぷ鳎绻驗(yàn)槎搪芬约捌渌恍┰驅(qū)е滤查g電流過大，會(huì)直接損壞鋰電池的電芯，而且造成的后果是很危險(xiǎn)的，輕則自然重則爆炸。而鋰電池保護(hù)板的作用就是避免短路等一系列的意外情況，所以保護(hù)板的參數(shù)要求也是極其精密的。因?yàn)樗淖饔镁褪潜ＷC工作電流時(shí)刻保持在一個(gè)合理的范圍值中，所以鋰電池保護(hù)板的做工就要很精細(xì)。這也就是為什么說鋰電池佩戴的保護(hù)板都是一一對(duì)應(yīng)的原因了。從另一方面來講鋰電池的應(yīng)用類型有很多中，有常規(guī)型的，動(dòng)力型的，儲(chǔ)能型能的等等，所以鋰電池保護(hù)板的類型也是根據(jù)鋰電池或者鋰電池組的類型而去設(shè)計(jì)的。所以說不同類型的鋰電池以及保護(hù)板是不能混用的。
我經(jīng)常會(huì)在網(wǎng)上看到有一些朋友因?yàn)橐鼡Q電池或者自己做一個(gè)鋰電池，從而把以前的保護(hù)板和新的鋰電池結(jié)合到一起，但是事后都發(fā)現(xiàn)新組合而成的鋰電池不能正常工作，原因我想大家通過以上的介紹都已經(jīng)很清楚了。而且還有一點(diǎn)，這樣做出來的鋰電池其安全性是很低的，而且其中的鋰電池保護(hù)板很可能就沒有起到保護(hù)作用。
所以說，我們?cè)谑褂娩囯姵乇Ｗo(hù)板的時(shí)候一定要與之對(duì)應(yīng)，這樣才能我們使用的鋰電池在合理的電流值范圍內(nèi)進(jìn)行工作，不僅在安全方面有所保證，對(duì)電芯來講也是有一定的益處的。
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