浅析BMS保护机制及工作原理

电动车的电瓶电池有时候使用的正是锂电池，这种电池材料存在一定的特性，使其不能被过充、过放、过流、短路及超高低温充放电，因此锂电池组总会有一块精致的BMS相伴，BMS指的是是BatteryManagementSystem电池管理系统，也叫保护板。一、BMS功能首先，我们将详述其四个主要功能。（一）感知和测量测量即感知电池的状态这是BMS基本功能，包括一些指标参数的计量和计算，其中有电压、电流、温度、电量、SOC（stateofcharge）、SOH（stateofhealth）、SOP（stateofpower）、SOE（stateofenergy）。SOC可以通俗理解为电池还剩下多少电量，其数值在0-100%之间，这是BMS中最重要的参数；SOH指电池的健康状态（或电池劣化程度），是当前电池的实际容量与额定容量的比值，当SOH低于80%时电池便不可用于动力环境。（二）告警和保护在电池出现异常状态时，BMS可以向平台进行告警并进行保护电池并采取相应的处理措施，同时，会将异常告警信息发送至监控管理平台并生成不同等级的告警信息。如，温度过热时，BMS会直接断开充放电回路，进行过热保护，并向后台发出告警。锂电池主要会针对以下问题发出告警：过充：单体过压、总电压过压、充电过流；过放：单体欠压、总电压欠压、放电过流；温度：电芯温度过高、环境温度过高、MOS温度过高、电芯温度过低、环境温度过低；状态：水浸、碰撞、倒置等。（三）均衡管理均衡管理的必要性来自于电池的生产和使用的不一致性。从生产角度看，每块电池都有自己的生命周期和特性，没有一模一样的两块电池，由于隔膜、阴极、阳极等材料的不一致，不同电池的容量也不能完全一致。如组成一个48V/20AH电池组的各电芯，其压差、内阻等的一致性指标，均有一定范围内的差异。从使用角度来看，在电池充放电的过程中，电化学反应的过程中是永远不可能一致的。即使是同一块电池包，也会因为温度、磕碰度不同造成电池充放量不同，从而导致电芯容量不一致。因此，电池就需要均被动均衡和主动均衡。即设定一对启动和结束均衡的阈值：比如，一组电池中，单体电压极值与这组电压平均值的差值达到50mV时启动均衡，5mV结束均衡。（四）通信和定位BMS有单独的通信模块，作用分别是数据传输和电池定位，能够将感知和测量到的相关数据实时传递到运营管理平台。二、BMS保护工作原理BMS包括控制IC、MOS开关、保险丝Fuse、NTC热敏电阻、TVS瞬态电压抑制器、电容及存储器等。其具体形式如图所示：上图中，控制IC通过控制MOS开关实现电路的导通和关闭，以保护电路，FUSE在此基础上实现二级保护；TH为温度检测，内部是一个10KNTC；NTC主要实现温度检测；TVS主要是抑制浪涌。（一）一级保护电路控制IC上图的控制IC负责监测电池电压与回路电流，并控制两个MOS的开关。控制IC具体可分为AFE和MCU：AFE（ActiveFrontEnd，模拟前端芯片）即电池的采样芯片，主要用来采集电芯电压、电流等。MCU（(MicrocontrollerUnit，微控制器芯片）主要对AFE采集来的信息进行计算和控制。二者的关系如图所示：1.AFEAFE一般是6脚芯片，CO、DO、VDD、VSS、DP和VM，简介如下：CO：chargeoutput（充电控制）；DO：dischargeoutput（放电控制）；VDD：电源电压，又叫输出电压，是电压最高的地方；VSS：基准电压，是电压最低的地方；VM：监测MOS两端的电压值。在BMS正常的情况下，CO、DO、VDD为高电平，VSS、VM为低电平，当VDD、VSS、VM任何一项参数变换时，CO或DO端的电平将发生变化。2.MCUMCU指的是微控制单元，又称单片机，具有性能高、功耗低、可编程、灵活度高等优点。被广泛应用于消费电子、汽车、工业、通信、计算、家电、医疗设备等领域。在BMS中，MCU相当于大脑，通过其外围设备从传感器捕获所有数据，并根据电池组的配置文件处理数据以做出适当的决策。MCU芯片处理AFE芯片采集的信息，起到计算（比如SOC、SOP等）和控制（MOS关断、导通等）的作用，因此电池管理系统对MCU芯片的性能要求较高。AFE和MCU通过控制MOS来实现对电路的保护。3.MOSMOS是Metal-Oxide-SemiconductorField-EffectTransistor的缩写，简称场效应管，在电路中起开关作用，分别控制着充电回路与放电回路的导通与关断。其导通阻抗很小，因此其导通电阻对电路的性能影响很小。正常状态下保护电路的消耗电流为μA级，通常小于7μA。4.BMS一级保护的实现：控制IC与MOS联动锂电池如果过充、过放或过流，将会导致电池内部发生化学副反应,从而严重影响电池的性能与使用寿命，并可能产生大量气体，使电池内部压力迅速增大，最后导致泄压阀打开，电解液喷出发生热失控。在出现上述情况时，BMS将开启保护机制，执行如下：以上内容可以简述为：（二）二级保护电路：三端熔丝Fuse出于安全性考虑，仍需增加二级保护机制。当前阶段，REP（ResistorEmbeddedProtector，内置电阻保护器）的应用度较高，而三端熔丝Fuse相比之下性价比更高。当电流过大时，Fuse和普通熔丝原理相同，会被熔断；而MOS运行状态异常时，主控控制三端熔丝将主动熔断。这款安全保护机制优点主要在功耗小、反应速度快、保护效果好，现阶段应用性极高，已经在电动车、手机等设备上被广泛使用。（三）三级保护电路：NTC和TVS1.NTC热敏电阻热敏电阻，顾名思义其对热度极度敏感，是可变电阻的一种，主要分为PTC和NTC两种。PTC（PositiveTemperatureCoefficient，正温度系数热敏电阻器），温度越高，电阻越大，主要用于灭蚊器、暖风机之类产品。NTC（NegativeTemperatureCoefficient，负温度系数热敏电阻器）与PTC相反，温度越高电阻越低，主要用作电阻温度传感器和限流装置。锂电池的BMS一般使用的是NTC，相较之下该产品耗电量较小，精准度高且反应迅速，主要有三大作用。（1）温度测量利用该电阻的特性，可以测量以下三个温度范畴：电芯温度：将NTC热敏电阻放置在电芯之间，实现电芯温度的测量，需要考虑每个NTC所覆盖的电芯数量情况。功率温度：将NTC热敏电阻放置在MOS之间，实现功率温度的测量，需要在安装时确保NTC要与MOS器件紧密接触。环境温度：将NTC热敏电阻放置在BMS板上，实现环境温度的测量，要求安装位置远离功率器件。（2）温度补偿大部分元器件的电阻都会随着温度上升而增大，此时需要用NTC进行补偿，抵消温度造成的误差情况。（3）抑制浪涌电流浪涌（electricalsurge），也叫突波，即瞬间出现超出稳定值的峰值，包括浪涌电压和浪涌电流。电子电路在开机时会产生较大的浪涌电流，容易对元器件造成损坏，使用NTC可以防止这种情况的产生，保证电路正常工作。而对于浪涌的保护就需要用到TVS。2.TVS瞬态电压抑制器TVS（TransientVoltageSuppressors）即瞬态电压抑制器，它响应速度快，适合用于做端口防护功能。具体执行如下：当电路出现异常高电压时，TVS会迅速调整电阻状态，将瞬时电流释放到地，保护后级电路免遭损坏；异常电压情况结束后，TVS会复原。三、BMS关键器件的国产化目前国内BMS生产制造过程中极度缺乏相关核心芯片的研究，尤其是AFE芯片。宁德时代董事长曾毓群曾表示，宁德时代在电池生产过程中没有直接涉及美国的技术、材料或是设备，现在唯一依赖美国的就是BMS里的芯片。（一）AFE模拟前端芯片根据市场份额来看，仅AFE芯片的生产厂家来看，美国占据全球70%的市场份额，其中亚德诺半导体和德州仪器两家就已经占据了60%左右，而国产芯片目前上升较快的厂商为中颖电子、芯海科技和思瑞浦。（二）MCU芯片针对MCU芯片来看，市场份额主要由欧美、日本和台湾地区企业占据，仅NXP（荷兰恩智浦）、Microchip（美国微芯科技）、ST（意法半导体）、infineon(德国英飞凌)就占据超80%的份额，中国大陆企业所占份额极小，仅兆易创新和极海半导体成长较快。四、BMS问题及优化方向BMS不只是BMS研发厂家的职责，它是一个系统工程，需要电芯厂家、BMS厂家、PACK厂家，尤其是换电运营商的共同参与。（一）换电运营商BMS作为锂电池的管理控制系统，实质是将基于用户需求的运营经验，进行细化、总结、固化到BMS中。而换电运营商其最接近用户，最懂用户的需求，因此，换电运营商是BMS的主导者。（二）BMS厂家BMS厂家最懂电子电路，它基于电芯性能，结合换电运营商需求，进行BMS架构搭建和开发，起着承上启下的作用。但其弱点也非常突出，主要表现在对电芯的理解深度还不够理想，导致管控策略和电芯实际存在差异。（三）电芯厂家电芯厂家最懂化学，这其实是整个BMS管控的基础所在，因为BMS的一切管控都是基于电芯和电池组进行的。但目前，电芯厂家对电子电路的理解还需要提升，比如哪种信息采集方式可以采集到最准确的电芯信息。（四）PACK厂家PACK厂家是将电芯与BMS组装成电池组，其对电芯的排列、BMS位置的摆放和组装的加工工艺等都影响着BMS