什么是BMS？什么是鋰電池保護板？

首先一定要弄懂2個(gè)定義，什么是BMS？什么是鋰電池保護板？

鋰電池保護板

鋰電池組成主要有兩大部分，鋰電池芯和保護板，鋰電池芯主要由正極板、隔膜、負極板、電解液組成；正極板、隔膜、負極板纏繞或層疊，包裝，灌注電解液，封裝后即制成電芯，鋰電池保護板的作用很多人都不知道，鋰電池保護板，顧名思義就是保護鋰電池用的，鋰電池保護板的作用是保護電池不過(guò)放、不過(guò)充、不過(guò)流，還有就是輸出短路保護。

BMS

BMS其實(shí)就是BATTERY MANAGEMENT SYSTEM的縮寫(xiě)，中文名字叫電池管理系統，顧名思義，是專(zhuān)門(mén)用來(lái)進(jìn)行鋰電池運行管理的模塊，對象是鋰電池。對于一般的終端用戶(hù)而言，鋰電池保護板其實(shí)并不存在，或者說(shuō)，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(shuō)電動(dòng)車(chē)，100%的用戶(hù)都知道電動(dòng)車(chē)上面有電池，因為電池提供了能源，但我敢保證，最多有1%的用戶(hù)知道還有鋰電池保護板這個(gè)東西的存在。

BMS的存在感之所以如此低，完全是因為它并不能和用戶(hù)產(chǎn)生直接的交流，也并不能與用戶(hù)發(fā)生頻繁的交互，就算是偶爾產(chǎn)生了一些數據，不過(guò)這些數據也是通過(guò)某些儀表盤(pán)傳遞給用戶(hù)觀(guān)測，當用戶(hù)看見(jiàn)儀表盤(pán)上的紅燈時(shí)只會(huì )說(shuō)：“嗯，車(chē)子好像是壞掉了，質(zhì)量真差?！?/span>

話(huà)說(shuō)回來(lái)，BMS雖然存在感低，不過(guò)它存在的意義卻是絲毫不亞于儀表，甚至可以說(shuō)是比儀表還重要，因為他可以檢測出這輛車(chē)子的能源系統是否壞掉了，只有擁有BMS系統，用戶(hù)才可能在不冒險的情況下知道這輛車(chē)到底是好是壞。

如果有一個(gè)行業(yè)內的嵌入式工程師要買(mǎi)一輛電動(dòng)車(chē)，在一輛沒(méi)有顯示儀表和BMS板子的電動(dòng)車(chē)中進(jìn)行選擇，那么他肯定不敢選后者，因為如果電動(dòng)車(chē)沒(méi)有了儀表，那么用戶(hù)體驗會(huì )極差，但如果電動(dòng)車(chē)沒(méi)有了BMS……與其說(shuō)是一輛電動(dòng)車(chē)，還不如說(shuō)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)域為什么如此重要？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(chē)用的BMS模塊作為例子專(zhuān)門(mén)對鋰電池的保護板設計進(jìn)行一些探討，并且會(huì )給出一個(gè)參考方案，當然由于筆者能力有限，水平一般，如果文中出現了錯誤或者紕漏，請直接指出。

BMS的大體需求是什么？

當設計團隊拿到一個(gè)項目，開(kāi)始開(kāi)發(fā)的時(shí)候，首先必須要搞清楚的便是項目的需求，這個(gè)需求可不僅僅是老板口頭上說(shuō)幾句話(huà)，而是需要一個(gè)切實(shí)的、詳細的、標準的文檔，文檔要以1、2、3為結構，明確的把所有的需求點(diǎn)給羅列出來(lái)。我們現在拿到了一個(gè)項目：低速電動(dòng)車(chē)的BMS板。

只要項目立項成功，那么作為產(chǎn)品經(jīng)理，或者團隊leader，則列出需求文檔是必須要做的事情。鋰電池管理系統，其中重點(diǎn)二字在于“管理”，要想實(shí)現管理功能，必然需要兩個(gè)模塊，第一：監測。第二：控制。只有在我能夠監測這個(gè)系統的前提下，我才能控制這個(gè)系統。

由此為核心點(diǎn)，我便可以慢慢的羅列出大致需求：

1、監測能源系統，能夠實(shí)時(shí)讀出鋰電池的所有狀態(tài)。

2、控制能源系統，根據鋰電池的狀態(tài)，在需要的時(shí)候進(jìn)行干預（比如斷開(kāi)/閉合充放電回路的MOS管）。

保護功能如何實(shí)現？

數據采集

電池系統的大致需求分為采集和控制，那么采集的都會(huì )有什么數據？

1、電壓

2、電流

3、溫度

作為一個(gè)以管理鋰電池的系統而言，以上3點(diǎn)是我們要重點(diǎn)監測的數據，如果系統超級簡(jiǎn)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。

系統信息

電壓：鋰電池本身的化學(xué)特性決定了我們必須要對電壓進(jìn)行保護，所謂的電壓保護，是我們必須要保證鋰電池的電壓永遠在合適的范圍之類(lèi)，不能讓電壓過(guò)低，因為其內部存儲電能是靠電化學(xué)一種可逆的化學(xué)變化實(shí)現的，過(guò)度的放電會(huì )導致這種化學(xué)變化有不可逆的反應發(fā)生，因此鋰電池最怕過(guò)放電，一旦放電電壓低于2.7V，將可能導致電池永久性損壞，也就是報廢。同時(shí)也不能讓電壓過(guò)高，因為電池一旦過(guò)度充電，導致的危害遠遠大于過(guò)放，過(guò)放最多損壞電池，不會(huì )對周?chē)斐晌：?，而過(guò)充則可能導致電池溫度升高，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，也是我們必須要保證，無(wú)論是充電還是放電，電流都不能過(guò)大，大家都清楚的短路便是過(guò)流的一種體現，當系統正負極直接接觸，導線(xiàn)電阻極小，導致電流極大，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(guò)大的電流依然會(huì )導致電池內部發(fā)熱，這樣也極有可能會(huì )造成永久性的損害。

溫度：溫度保護不用多言，除開(kāi)鋰電池本身的化學(xué)特性導致它不能在極端溫度下使用之外，我想任何一個(gè)類(lèi)似的系統，為了安全起見(jiàn)都應該考慮到溫度。

看到這里大家也應該明白了，鋰電池保護系統的邏輯其實(shí)很簡(jiǎn)單，無(wú)非就是一些判斷，以及MOS管的控制，這些東西只要是有過(guò)軟件基礎的大學(xué)生應該都能實(shí)現。

現在將上面的保護細分：

電壓保護

一個(gè)鋰電池包，本身并不是一個(gè)整體，如果拆開(kāi)它的外包裝就能發(fā)現，它其實(shí)是由N個(gè)18650電池經(jīng)過(guò)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電池的數量，至少有上百個(gè)之多。

由此，如果我們想要監測并且保護系統的電壓情況，自然不能簡(jiǎn)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測的。如果一個(gè)16串的鋰電池包，那么需要監控的電壓點(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，系統采集點(diǎn)過(guò)多，一般的MCU不可能滿(mǎn)足）。等采集到了單體電壓和總電壓以后，我們就可以進(jìn)行邏輯設計了。

電壓保護相關(guān)的項目：

1、總體電壓

1、總體過(guò)壓保護

2、總體欠壓保護

2、  單體電壓

1、單體過(guò)壓保護

2、單體欠壓保護

※一般更容易觸發(fā)的保護當然是單體，如果每一串電池的電壓的都沒(méi)問(wèn)題，那么總體電壓自然也不會(huì )有問(wèn)題。

保護過(guò)程：系統采集電壓量，進(jìn)行判斷，一旦檢測到某項指標超過(guò)設定的保護值，并且系統的狀態(tài)符合保護條件（充電時(shí)不進(jìn)行欠壓保護，放電時(shí)不進(jìn)行過(guò)壓保護），然后持續了一定時(shí)間（防止抖動(dòng)），那么斷開(kāi)充放電回路并進(jìn)行報警，至于是斷開(kāi)充電還是放電，根據實(shí)際情況決定。那么保護之后該如何恢復？總不能讓電動(dòng)車(chē)一次過(guò)充電后就永遠報廢吧？

系統發(fā)生了保護，今后自然還有恢復的時(shí)候，如果系統發(fā)生了單體電壓保護，那么可以設定恢復值，等待電壓自然恢復到合適范圍，并且持續了一定時(shí)間以后（防止抖動(dòng)），便可以重新打開(kāi)充放電回路。

※恢復值和保護值最好不要完全一樣，這樣可以給系統留出一些余量，也可以防止抖動(dòng)的發(fā)生。

以下是關(guān)于電壓保護簡(jiǎn)易的邏輯表：

電流保護

電流的保護與電壓不同，它自然不會(huì )分為總體和單體，下面的鋰電池由幾個(gè)串組成對電流這個(gè)信息而言毫無(wú)意義，它關(guān)心的只是一個(gè)在負載/充電機回路上的總體量。

保護過(guò)程：電流是有方向的，因此我們在保護中也要考慮到這一點(diǎn)，放電過(guò)程中，電流從電池正極流出，經(jīng)過(guò)負載后再回到電池負極，充電過(guò)程中，電流從充電機的正極流出，經(jīng)過(guò)了電池后再回到充電機負極，這是兩個(gè)完全相反的過(guò)程。

假設我們設定充電過(guò)程的電流為正，那么放電時(shí)電流必然為負，在保護判斷中，等進(jìn)入了模塊后，我們用其絕對值與保護參數比較，當超過(guò)正常值時(shí)斷開(kāi)充放電回路（電流保護只關(guān)心最大值，不用關(guān)心最小值），這個(gè)過(guò)程與電壓保護大同小異。

※電流過(guò)大產(chǎn)生熱量累積這是一個(gè)持續的過(guò)程，所以在電流上一般會(huì )有兩重保護，第一重保護的設定值比較小，延時(shí)時(shí)間比較長(cháng)，第二重保護的設定值比較大，延時(shí)時(shí)間很短。比如說(shuō)電流>1A，500ms后保護，電流>5A，10ms后保護。

當電流保護發(fā)生以后，我們并不能像電壓恢復一樣實(shí)時(shí)讀取數據，因為一旦我們把充放電回路斷開(kāi)以后，回路上的電流瞬間就變成了0A，要想恢復保護狀態(tài)，一般有兩種條件：第一，不需要人工干預，在經(jīng)過(guò)一段時(shí)間之后，自動(dòng)打開(kāi)回路，如果此刻依然為過(guò)流狀態(tài)，那么系統又會(huì )進(jìn)入保護，這樣反復來(lái)個(gè)幾次，便可以將系統的狀態(tài)設置為故障了。第二，需要人工干預，等負載或者充電機移除后，打開(kāi)回路。

短路保護其實(shí)也是電流保護的一種，只不過(guò)當系統短路以后，電流理論上會(huì )變成無(wú)限大，這樣產(chǎn)生的熱量也是無(wú)限大，如果要等到軟件反應過(guò)來(lái)然后保護，系統說(shuō)不定早就完蛋了，因此，對于短路保護一般是采用硬件來(lái)自動(dòng)觸發(fā)，觸發(fā)后傳遞給MCU一個(gè)信號即可。

溫度保護

溫度保護比較簡(jiǎn)單，一般的邏輯就可以實(shí)現，溫度值有上限也有下限，甚至在細分還可以分為充電時(shí)的溫度保護以及放電時(shí)的溫度保護，根據項目的實(shí)際需要設計邏輯即可。需要注意的是，在實(shí)際的測試中發(fā)現，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)候保護值和恢復值一定要做出一個(gè)合理的區間，不然系統會(huì )不穩定。

均衡控制

鋰電池系統中除了以上3個(gè)正常的保護量之外，還需要有一個(gè)保護措施，那便是均衡保護。上面說(shuō)過(guò)，一個(gè)鋰電池包由N串電池組成，根據化學(xué)特性，如果某兩串電池的電壓相差過(guò)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(shuō)是報廢了。

所以系統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到了某個(gè)極限，導致出現故障的概率極大，那么無(wú)論是放電還是充電都不應該在繼續進(jìn)行。為了盡量避免這種情的出現，在BMS系統中就應該設計電壓均衡功能。

電壓均衡分為主動(dòng)與被動(dòng)，被動(dòng)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過(guò)高時(shí)（比如相差達到50ms），或是使用別的元件來(lái)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(guò)可以由程序來(lái)控制均衡的更多細節，用串轉并的譯碼器作成開(kāi)關(guān)電路，控制系統只在充電過(guò)程中均衡，可以更為靈活的設定均衡的電壓閾值等等。

鋰電池保護板一定要對應使用

從20世紀末到21世紀初，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(guò)一個(gè)世紀了。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(shuō)道鋰電池，基本上每個(gè)人都對其略知一二，因為我們的生活周?chē)幪幎荚谑褂盟?。像手機、筆記本、攝像機等等，類(lèi)似于這樣的數碼產(chǎn)品，基本上電池都采用的是鋰電池。相對于早期的鎳氫電池來(lái)講，鋰電池更加耐用，續航能力更強。

說(shuō)到鋰電池，就不得不提一下鋰電池保護板，因為鋰電池各項安全指標全靠鋰電池保護板的支持。而且鋰電池因為其自身的參數也都不盡相同，所以對應的保護板的類(lèi)型也是不一樣的。通俗的來(lái)講，鋰電池一般都要有一個(gè)與之對應的鋰電池保護板輔助其工作。因為鋰電池需要在正常的電流以及電壓下工作，如果因為短路以及其他一些原因導致瞬間電流過(guò)大，會(huì )直接損壞鋰電池的電芯，而且造成的后果是很危險的，輕則自然重則爆炸。而鋰電池保護板的作用就是避免短路等一系列的意外情況，所以保護板的參數要求也是極其精密的。因為它的作用就是保證工作電流時(shí)刻保持在一個(gè)合理的范圍值中，所以鋰電池保護板的做工就要很精細。這也就是為什么說(shuō)鋰電池佩戴的保護板都是一一對應的原因了。從另一方面來(lái)講鋰電池的應用類(lèi)型有很多中，有常規型的，動(dòng)力型的，儲能型能的等等，所以鋰電池保護板的類(lèi)型也是根據鋰電池或者鋰電池組的類(lèi)型而去設計的。所以說(shuō)不同類(lèi)型的鋰電池以及保護板是不能混用的。

我經(jīng)常會(huì )在網(wǎng)上看到有一些朋友因為要更換電池或者自己做一個(gè)鋰電池，從而把以前的保護板和新的鋰電池結合到一起，但是事后都發(fā)現新組合而成的鋰電池不能正常工作，原因我想大家通過(guò)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(lái)的鋰電池其安全性是很低的，而且其中的鋰電池保護板很可能就沒(méi)有起到保護作用。

所以說(shuō)，我們在使用鋰電池保護板的時(shí)候一定要與之對應，這樣才能我們使用的鋰電池在合理的電流值范圍內進(jìn)行工作，不僅在安全方面有所保證，對電芯來(lái)講也是有一定的益處的。

聯(lián)系方式：鄒先生

聯(lián)系電話(huà)：0755-83888366-8022

手機：18123972950

QQ：2880195519

聯(lián)系地址：深圳市福田區車(chē)公廟天安數碼城天吉大廈CD座5C1

請搜微信公眾號:“KIA半導體”或掃一掃下圖“關(guān)注”官方微信公眾號

請“關(guān)注”官方微信公眾號:提供 MOS管 技術(shù)幫助