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  • 分析(BMS)鋰電池保護(hù)板怎么實現(xiàn)保護(hù)與系統(tǒng)設(shè)計思路
    • 發(fā)布時間:2019-09-07 15:55:32
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    什么是BMS?什么是鋰電池保護(hù)板?
    首先一定要弄懂2個定義,什么是BMS?什么是鋰電池保護(hù)板?
    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
    BMS其實就是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)行鋰電池運行管理的模塊,對象是鋰電池。對于一般的終端用戶而言,鋰電池保護(hù)板其實并不存在,或者說,他們并不知道正在自己使用的產(chǎn)品中還有這么一個東西。比如說電動車,100%的用戶都知道電動車上面有電池,因為電池提供了能源,但我敢保證,最多有1%的用戶知道還有鋰電池保護(hù)板這個東西的存在。
    BMS的存在感之所以如此低,完全是因為它并不能和用戶產(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只會說:“嗯,車子好像是壞掉了,質(zhì)量真差。”
    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,因為他可以檢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的情況下知道這輛車到底是好是壞。
    如果有一個行業(yè)內(nèi)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(jìn)行選擇,那么他肯定不敢選后者,因為如果電動車沒有了儀表,那么用戶體驗會極差,但如果電動車沒有了BMS……與其說是一輛電動車,還不如說是一輛隨時可能發(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?
    本文便從一個底層工程師的角度,以電動車用的BMS模塊作為例子專門對鋰電池的保護(hù)板設(shè)計進(jìn)行一些探討,并且會給出一個參考方案,當(dāng)然由于筆者能力有限,水平一般,如果文中出現(xiàn)了錯誤或者紕漏,請直接指出。
    BMS的大體需求是什么?
    當(dāng)設(shè)計團(tuán)隊拿到一個項目,開始開發(fā)的時候,首先必須要搞清楚的便是項目的需求,這個需求可不僅僅是老板口頭上說幾句話,而是需要一個切實的、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給羅列出來。我們現(xiàn)在拿到了一個項目:低速電動車的BMS板。
    只要項目立項成功,那么作為產(chǎn)品經(jīng)理,或者團(tuán)隊leader,則列出需求文檔是必須要做的事情。鋰電池管理系統(tǒng),其中重點二字在于“管理”,要想實現(xiàn)管理功能,必然需要兩個模塊,第一:監(jiān)測。第二:控制。只有在我能夠監(jiān)測這個系統(tǒng)的前提下,我才能控制這個系統(tǒng)。
    由此為核心點,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),在需要的時候進(jìn)行干預(yù)(比如斷開/閉合充放電回路的MOS管)。
    保護(hù)功能如何實現(xiàn)?
    數(shù)據(jù)采集
    電池系統(tǒng)的大致需求分為采集和控制,那么采集的都會有什么數(shù)據(jù)?
    1、電壓
    2、電流
    3、溫度
    作為一個以管理鋰電池的系統(tǒng)而言,以上3點是我們要重點監(jiān)測的數(shù)據(jù),如果系統(tǒng)超級簡單,采集的點只有3、4個,那么直接使用MCU的AD接口進(jìn)行讀取信息便可,但在實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,因為其內(nèi)部存儲電能是靠電化學(xué)一種可逆的化學(xué)變化實現(xiàn)的,過度的放電會導(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,也就是報廢。同時也不能讓電壓過高,因為電池一旦過度充電,導(dǎo)致的危害遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于過放,過放最多損壞電池,不會對周圍造成危害,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,就算不是短路,但過大的電流依然會導(dǎo)致電池內(nèi)部發(fā)熱,這樣也極有可能會造成永久性的損害。
    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)該都能實現(xiàn)。
    現(xiàn)在將上面的保護(hù)細(xì)分:
    電壓保護(hù)
    一個鋰電池包,本身并不是一個整體,如果拆開它的外包裝就能發(fā)現(xiàn),它其實是由N個18650電池經(jīng)過串并連所組成。
    鋰電池保護(hù)
    鋰電池保護(hù)
    比如我們手上的48V20AH的鋰電池包,它的組成是,每N個鋰電池并聯(lián),作為一個子單元,然后在由16個這樣的子單元串聯(lián),最終才形成一個鋰電池包,若論單個18650電池的數(shù)量,至少有上百個之多。
    鋰電池保護(hù)
    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總體電壓,考慮到電池均衡等特性,雖然不用對每個電池進(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16串的鋰電池包,那么需要監(jiān)控的電壓點自然不能低于16個(這就是為什么需要模擬前端的原因,系統(tǒng)采集點過多,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)計了。
    電壓保護(hù)相關(guān)的項目:
    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(充電時不進(jìn)行欠壓保護(hù),放電時不進(jìn)行過壓保護(hù)),然后持續(xù)了一定時間(防止抖動),那么斷開充放電回路并進(jìn)行報警,至于是斷開充電還是放電,根據(jù)實際情況決定。那么保護(hù)之后該如何恢復(fù)?總不能讓電動車一次過充電后就永遠(yuǎn)報廢吧?
    系統(tǒng)發(fā)生了保護(hù),今后自然還有恢復(fù)的時候,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)了一定時間以后(防止抖動),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,也可以防止抖動的發(fā)生。
    以下是關(guān)于電壓保護(hù)簡易的邏輯表:
    鋰電池保護(hù)
    電流保護(hù)
    電流的保護(hù)與電壓不同,它自然不會分為總體和單體,下面的鋰電池由幾個串組成對電流這個信息而言毫無意義,它關(guān)心的只是一個在負(fù)載/充電機回路上的總體量。
    鋰電池保護(hù)
    保護(hù)過程:電流是有方向的,因此我們在保護(hù)中也要考慮到這一點,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,電流從充電機的正極流出,經(jīng)過了電池后再回到充電機負(fù)極,這是兩個完全相反的過程。
    假設(shè)我們設(shè)定充電過程的電流為正,那么放電時電流必然為負(fù),在保護(hù)判斷中,等進(jìn)入了模塊后,我們用其絕對值與保護(hù)參數(shù)比較,當(dāng)超過正常值時斷開充放電回路(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持續(xù)的過程,所以在電流上一般會有兩重保護(hù),第一重保護(hù)的設(shè)定值比較小,延時時間比較長,第二重保護(hù)的設(shè)定值比較大,延時時間很短。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)一樣實時讀取數(shù)據(jù),因為一旦我們把充放電回路斷開以后,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)過一段時間之后,自動打開回路,如果此刻依然為過流狀態(tài),那么系統(tǒng)又會進(jìn)入保護(hù),這樣反復(fù)來個幾次,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)載或者充電機移除后,打開回路。
    短路保護(hù)其實也是電流保護(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,對于短路保護(hù)一般是采用硬件來自動觸發(fā),觸發(fā)后傳遞給MCU一個信號即可。
    溫度保護(hù)
    溫度保護(hù)比較簡單,一般的邏輯就可以實現(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的溫度保護(hù)以及放電時的溫度保護(hù),根據(jù)項目的實際需要設(shè)計邏輯即可。需要注意的是,在實際的測試中發(fā)現(xiàn),溫度是一個比較容易抖動的值(這和選用的傳感器有關(guān),比如使用熱敏電阻),所以在判斷的時候保護(hù)值和恢復(fù)值一定要做出一個合理的區(qū)間,不然系統(tǒng)會不穩(wěn)定。
    均衡控制
    鋰電池系統(tǒng)中除了以上3個正常的保護(hù)量之外,還需要有一個保護(hù)措施,那便是均衡保護(hù)。上面說過,一個鋰電池包由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)計電壓均衡功能。
    電壓均衡分為主動與被動,被動均衡是設(shè)計硬件電壓,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(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。
    鋰電池保護(hù)板一定要對應(yīng)使用
    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)展時間之久也基本上超過一個世紀(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,基本上每個人都對其略知一二,因為我們的生活周圍處處都在使用它。像手機、筆記本、攝像機等等,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。相對于早期的鎳氫電池來講,鋰電池更加耐用,續(xù)航能力更強。
    說到鋰電池,就不得不提一下鋰電池保護(hù)板,因為鋰電池各項安全指標(biāo)全靠鋰電池保護(hù)板的支持。而且鋰電池因為其自身的參數(shù)也都不盡相同,所以對應(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與之對應(yīng)的鋰電池保護(hù)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?qū)е滤查g電流過大,會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(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。因為它的作用就是保證工作電流時刻保持在一個合理的范圍值中,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,動力型的,儲能型能的等等,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,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,我們在使用鋰電池保護(hù)板的時候一定要與之對應(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,對電芯來講也是有一定的益處的。
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