分析（BMS）鋰電池保護板如何實現(xiàn)保護和系統(tǒng)設(shè)計思路-KIA MOS管
信息來源：本站 日期：2018-10-11
首先一定要弄懂2個定義，什么是BMS？什么是鋰電池保護板？
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?qū)盈B，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放、不過充、不過流，還有就是輸出短路保護。
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板設(shè)計進行一些探討，并且會給出一個參考方案，當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？
當設(shè)計團隊拿到一個項目，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、詳細的、標準的文檔，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)，在需要的時候進行干預（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：鋰電池本身的化學特性決定了我們必須要對電壓進行保護，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，不能讓電壓過低，因為其內(nèi)部存儲電能是靠電化學一種可逆的化學變化實現(xiàn)的，過度的放電會導致這種化學變化有不可逆的反應發(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，導致的危害遠遠大于過放，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)，當系統(tǒng)正負極直接接觸，導線電阻極小，導致電流極大，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：溫度保護不用多言，除開鋰電池本身的化學特性導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(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)的大學生應該都能實現(xiàn)。
現(xiàn)在將上面的保護細分：
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。
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。
由此，如果我們想要監(jiān)測并且保護系統(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，我們就可以進行邏輯設(shè)計了。
電壓保護相關(guān)的項目：
1、總體電壓
1、總體過壓保護
2、總體欠壓保護
2、 單體電壓
1、單體過壓保護
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問題，那么總體電壓自然也不會有問題。
保護過程：系統(tǒng)采集電壓量，進行判斷，一旦檢測到某項指標超過設(shè)定的保護值，并且系統(tǒng)的狀態(tài)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），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。那么保護之后該如何恢復？總不能讓電動車一次過充電后就永遠報廢吧？
系統(tǒng)發(fā)生了保護，今后自然還有恢復的時候，如果系統(tǒng)發(fā)生了單體電壓保護，那么可以設(shè)定恢復值，等待電壓自然恢復到合適范圍，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。
※恢復值和保護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)于電壓保護簡易的邏輯表：
電流的保護與電壓不同，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)心的只是一個在負載/充電機回路上的總體量。
保護過程：電流是有方向的，因此我們在保護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)過負載后再回到電池負極，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，在保護判斷中，等進入了模塊后，我們用其絕對值與保護參數(shù)比較，當超過正常值時斷開充放電回路（電流保護只關(guān)心最大值，不用關(guān)心最小值），這個過程與電壓保護大同小異。
※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，第一重保護的設(shè)定值比較小，延時時間比較長，第二重保護的設(shè)定值比較大，延時時間很短。比如說電流>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)又會進入保護，這樣反復來個幾次，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，等負載或者充電機移除后，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(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過來然后保護，系統(tǒng)說不定早就完蛋了，因此，對于短路保護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，甚至在細分還可以分為充電時的溫度保護以及放電時的溫度保護，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值和恢復值一定要做出一個合理的區(qū)間，不然系統(tǒng)會不穩(wěn)定。
鋰電池系統(tǒng)中除了以上3個正常的保護量之外，還需要有一個保護措施，那便是均衡保護。上面說過，一個鋰電池包由N串電池組成，根據(jù)化學特性，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到了某個極限，導致出現(xiàn)故障的概率極大，那么無論是放電還是充電都不應該在繼續(xù)進行。為了盡量避免這種情的出現(xiàn)，在BMS系統(tǒng)中就應該設(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，當某串電池電壓與其它電池電壓相比過高時（比如相差達到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一樣，只不過可以由程序來控制均衡的更多細節(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)展時間之久也基本上超過一個世紀了。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(shù)也都不盡相同，所以對應的保護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?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(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，所以鋰電池保護板的做工就要很精細。這也就是為什么說鋰電池佩戴的保護板都是一一對應的原因了。從另一方面來講鋰電池的應用類型有很多中，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板很可能就沒有起到保護作用。
所以說，我們在使用鋰電池保護板的時候一定要與之對應，這樣才能我們使用的鋰電池在合理的電流值范圍內(nèi)進行工作，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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