淺析鋰電池保護板（BMS）系統設計思路（一）

 

什麼是BMS？

　　首先必須弄懂一個定義，什麼是BMS？

　　BMS其實就是BATTERY MANAGEMENT SYSTEM的縮寫，中文名字叫電池管理系統，顧名思義，是專門用來進行鋰電池運行管理的模塊，對象是鋰電池。

　　對於通常的終端用戶而言，鋰電池保護板其實並不存在，或者說，他們並不知道正在本身使用的產品中還有這麼一個東西。好比說電動車，100%的用戶都知道電動車上面有電池，由於電池提供了能源，但我敢保證，最多有1%的用戶知道還有鋰電池保護板這個東西的存在。

　　BMS的存在感之因此如此低，徹底是由於它並不能和用戶產生直接的交流，也並不能與用戶發生頻繁的交互，就算是偶爾產生了一些數據，不過這些數據也是經過某些儀表盤傳遞給用戶觀測，當用戶看見儀表盤上的紅燈時只會說：「嗯，車子好像是壞掉了，質量真差。」

　　話說回來，BMS雖然存在感低，不過它存在的意義倒是絲絕不亞於儀表，甚至能夠說是比儀表還重要，由於他能夠檢測出這輛車子的能源系統是否壞掉了，只有擁有BMS系統，用戶纔可能在不冒險的狀況下知道這輛車究竟是好是壞。

　　若是有一個行業內的嵌入式工程師要買一輛電動車，在一輛沒有顯示儀表和BMS板子的電動車中進行選擇，那麼他確定不敢選後者，由於若是電動車沒有了儀表，那麼用戶體驗會極差，但若是電動車沒有了BMS……與其說是一輛電動車，還不如說是一輛隨時可能發生被激活的炸彈。

　　那麼BMS在能源領域爲何如此重要？BMS的存在到底有什麼意義？

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　　本文便從一個底層工程師的角度，以電動車用的BMS模塊做爲例子專門對鋰電池的保護板設計進行一些探討，而且會給出一個參考方案，固然因爲筆者能力有限，水平通常，若是文中出現了錯誤或者紕漏，請直接指出。

BMS的大致需求是什麼？

　　當設計團隊拿到一個項目，開始開發的時候，首先必需要搞清楚的即是項目的需求，這個需求可不只僅是老闆口頭上說幾句話，而是須要一個切實的、詳細的、標準的文檔，文檔要以一、二、3爲結構，明確的把全部的需求點給羅列出來。

　　咱們如今拿到了一個項目：低速電動車的BMS板。

　　只要項目立項成功，那麼做爲產品經理，或者團隊leader，則列出需求文檔是必需要作的事情。

　　鋰電池管理系統，其中重點二字在於「管理」，要想實現管理功能，必然須要兩個模塊，第一：監測。第二：控制。只有在我可以監測這個系統的前提下，我才能控制這個系統。

　　由此爲核心點，我即可以慢慢的羅列出大體需求：

1. 　　監測能源系統，可以實時讀出鋰電池的全部狀態。
2. 　　控制能源系統，根據鋰電池的狀態，在須要的時候進行干預（好比斷開/閉合充放電迴路的MOS管）。

 

保護功能如何實現？

　　數據採集

　　電池系統的大體需求分爲採集和控制，那麼採集的都會有什麼數據？

1. 　　電壓
2.        電流
3. 　　溫度

　　做爲一個以管理鋰電池的系統而言，以上3點是咱們要重點監測的數據，若是系統超級簡單，採集的點只有三、4個，那麼直接使用MCU的AD接口進行讀取信息即可，但在實際中幾乎不可能存在這種狀況，一般所用的採集的方式通常是使用模擬前端。

系統信息

　　電壓：鋰電池自己的化學特性決定了咱們必需要對電壓進行保護，所謂的電壓保護，是咱們必需要保證鋰電池的電壓永遠在合適的範圍之類，不能讓電壓太低，由於其內部存儲電能是靠電化學一種可逆的化學變化實現的，過分的放電會致使這種化學變化有不可逆的反應發生，所以鋰電池最怕過放電，一旦放電電壓低於2.7V，將可能致使電池永久性損壞，也就是報廢。同時也不能讓電壓太高，由於電池一旦過分充電，致使的危害遠遠大於過放，過放最多損壞電池，不會對周圍形成危害，而過充則可能致使電池溫度升高，以致於發生自燃甚至爆炸，這種危害是致命的。

　　電流：所謂的電流保護，也是咱們必需要保證，不管是充電仍是放電，電流都不能過大，你們都清楚的短路即是過流的一種體現，當系統正負極直接接觸，導線電阻極小，致使電流極大，極大的電流又會產生大量的熱，從而引起的燃燒和爆炸是很致命的。其實，就算不是短路，但過大的電流依然會致使電池內部發熱，這樣也極有可能會形成永久性的損害。

　　溫度：溫度保護不用多言，除開鋰電池自己的化學特性致使它不能在極端溫度下使用以外，我想任何一個相似的系統，爲了安全起見都應該考慮到溫度。

　　看到這裏你們也應該明白了，鋰電池保護系統的邏輯其實很簡單，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的大學生應該都能實現。

 

　　如今將上面的保護細分：

電壓保護

　　一個鋰電池包，自己並非一個總體，若是拆開它的外包裝就能發現，它實際上是由N個18650電池通過串並連所組成。

       

 

　　好比咱們手上的48V20AH的鋰電池包，它的組成是，每N個鋰電池並聯，做爲一個子單元，而後在由16個這樣的子單元串聯，最終才造成一個鋰電池包，若論單個18650電池的數量，至少有上百個之多。

　　

 

　　由此，若是咱們想要監測而且保護系統的電壓狀況，天然不能簡單的只採集一個整體電壓，考慮到電池均衡等特性，雖然不用對每一個電池進行採集和控制，但做爲組成電池包的每一串的單體電壓是必需要監測的。

　　若是一個16串的鋰電池包，那麼須要監控的電壓點天然不能低於16個（這就是爲何須要模擬前端的緣由，系統採集點過多，通常的MCU不可能知足）。

 　  等採集到了單體電壓和總電壓之後，咱們就能夠進行邏輯設計了。

　　電壓保護相關的項目：

1. 　　整體電壓
   1. 　　整體過壓保護
   2. 　　整體欠壓保護
2.        單體電壓
   1. 　　單體過壓保護
   2. 　　單體欠壓保護

　　※通常更容易觸發的保護固然是單體，若是每一串電池的電壓的都沒問題，那麼整體電壓天然也不會有問題。

　　保護過程：系統採集電壓量，進行判斷，一旦檢測到某項指標超過設定的保護值，而且系統的狀態符合保護條件（充電時不進行欠壓保護，放電時不進行過壓保護），而後持續了必定時間（防止抖動），那麼斷開充放電迴路並進行報警，至因而斷開充電仍是放電，根據實際狀況決定。

　　那麼保護以後該如何恢復？總不能讓電動車一次過充電後就永遠報廢吧？

　　系統發生了保護，從此天然還有恢復的時候，若是系統發生了單體電壓保護，那麼能夠設定恢復值，等待電壓天然恢復到合適範圍，而且持續了必定時間之後（防止抖動），即可以從新打開充放電迴路。

　　※恢復值和保護值最好不要徹底同樣，這樣能夠給系統留出一些餘量，也能夠防止抖動的發生。

　　如下是關於電壓保護簡易的邏輯表：

       

　　

電流保護

 　　電流的保護與電壓不一樣，它天然不會分爲整體和單體，下面的鋰電池由幾個串組成對電流這個信息而言毫無心義，它關心的只是一個在負載/充電機迴路上的整體量。

　　

　　保護過程：電流是有方向的，所以咱們在保護中也要考慮到這一點，放電過程當中，電流從電池正極流出，通過負載後再回到電池負極，充電過程當中，電流從充電機的正極流出，通過了電池後再回到充電機負極，這是兩個徹底相反的過程。

　　假設咱們設定充電過程的電流爲正，那麼放電時電流必然爲負，在保護判斷中，等進入了模塊後，咱們用其絕對值與保護參數比較，當超過正常值時斷開充放電迴路（電流保護只關心最大值，不用關心最小值），這個過程與電壓保護大同小異。

　　※電流過大產生熱量累積這是一個持續的過程，因此在電流上通常會有兩重保護，第一重保護的設定值比較小，延時時間比較長，第二重保護的設定值比較大，延時時間很短。好比說電流>1A，500ms後保護，電流>5A，10ms後保護。

 

　　當電流保護髮生之後，咱們並不能像電壓恢復同樣實時讀取數據，由於一旦咱們把充放電迴路斷開之後，迴路上的電流瞬間就變成了0A，要想恢復保護狀態，通常有兩種條件：第一，不須要人工干預，在通過一段時間以後，自動打開回路，若是此刻依然爲過流狀態，那麼系統又會進入保護，這樣反覆來個幾回，即可以將系統的狀態設置爲故障了。第二，須要人工干預，等負載或者充電機移除後，打開回路。

　　短路保護其實也是電流保護的一種，只不過當系統短路之後，電流理論上會變成無限大，這樣產生的熱量也是無限大，若是要等到軟件反應過來而後保護，系統說不定早就完蛋了，所以，對於短路保護通常是採用硬件來自動觸發，觸發後傳遞給MCU一個信號便可。

 

溫度保護

 　　溫度保護比較簡單，通常的邏輯就能夠實現，溫度值有上限也有下限，甚至在細分還能夠分爲充電時的溫度保護以及放電時的溫度保護，根據項目的實際須要設計邏輯便可。

 　　須要注意的是，在實際的測試中發現，溫度是一個比較容易抖動的值（這和選用的傳感器有關，好比使用熱敏電阻），因此在判斷的時候保護值和恢復值必定要作出一個合理的區間，否則系統會不穩定。

 

均衡控制

　　鋰電池系統中除了以上3個正常的保護量以外，還須要有一個保護措施，那即是均衡保護。

　　上面說過，一個鋰電池包由N串電池組成，根據化學特性，若是某兩串電池的電壓相差過大，這就會形成電量的不均衡，好比一串電池的電壓是3.6V，另外一串電池的電壓是2.5V，相差如此之大，那麼這樣的電池基本上已經能夠說是報廢了。

　　因此係統中也須要這樣的判斷，最大單體電壓和最小單體電壓的差值若是達到了某個極限，致使出現故障的機率極大，那麼不管是放電仍是充電都不該該在繼續進行。

　　爲了儘可能避免這種情的出現，在BMS系統中就應該設計電壓均衡功能。

 

　　電壓均衡分爲主動與被動，被動均衡是設計硬件電壓，使用電壓比較器，當某串電池電壓與其它電池電壓相比太高時（好比相差達到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。

　　主動均衡在原理上也同樣，只不過能夠由程序來控制均衡的更多細節，用串轉並的譯碼器做成開關電路，控制系統只在充電過程當中均衡，能夠更爲靈活的設定均衡的電壓閾值等等。

 

待續……