鋰電池保護(hù)板和BMS知識培訓(xùn)課件

鋰電池保護(hù)板及BMS知識1-目錄前言簡單保護(hù)板（硬件保護(hù)板）軟件保護(hù)板（通訊保護(hù)板，啟動(dòng)電源保護(hù)板，Discover保護(hù)板等）電池管理系統(tǒng)（BMS）應(yīng)用案例及相關(guān)問題2-前言—為什么鋰電池需要保護(hù)不同材料電池的電壓特性

磷酸鐵鋰系列（廠標(biāo)充電截止電壓≤3.85Ｖ，放電截止電壓≥2.5Ｖ）三元系列（充電截止電壓≤4.2Ｖ，放電截止電壓≥2.7Ｖ）錳酸鋰系列（充電截止電壓≤4.2Ｖ，放電截止電壓≥2.7Ｖ）術(shù)語：過充，即充電電壓超出上限電壓；

過放，即放電截止電壓低于下限電壓．2023/9/103-前言—為什么鋰電池需要保護(hù)鋰離子電池過充、過放會有什么后果？過充：電池內(nèi)會產(chǎn)生大量氣體，使內(nèi)部壓力迅速上升，導(dǎo)致電池

過放：縮短電池壽命，直接損壞致電池報(bào)廢．爆炸4-前言—為什么鋰電池需要保護(hù)鋰電池很好，但它需要保護(hù)。為確保使用安全，有很多要求：基本保護(hù)要求：過充保護(hù)，過放保護(hù)加強(qiáng)保護(hù)要求：過流保護(hù)，高溫保護(hù)，低溫保護(hù)，短路保護(hù)，反接保護(hù)擴(kuò)展要求：一致性好，壓差小，溫差小5-前言—為什么鋰電池需要保護(hù)安全問題解決以后，根據(jù)不同的使用環(huán)境和使用場合，客戶提出了很多附加功能需求：通訊功能—客戶需要了解電池組的運(yùn)行狀態(tài)信息，RS232/RS485/CAN等SOC(StateOfCharge)計(jì)算/SOH預(yù)估

告警功能—電池有問題時(shí)需要及時(shí)告知客戶記錄功能—最好能記錄電池組的歷史運(yùn)行過程數(shù)據(jù)，包括告警歷史數(shù)據(jù)等故障診斷功能—保護(hù)板或管理系統(tǒng)自己出了問題要能診斷顯示功能—客戶通過顯示屏可以直接讀取信息、設(shè)置參數(shù)均衡功能******6-前言—鋰電池保護(hù)產(chǎn)品分類為滿足不同的需求，產(chǎn)生了多種類型的鋰電池保護(hù)產(chǎn)品保護(hù)板硬件保護(hù)板（簡單保護(hù)板）軟件保護(hù)板（通訊保護(hù)板，啟動(dòng)電源保護(hù)板，Discover保護(hù)板，客戶定制保護(hù)板等）管理系統(tǒng)7-目錄前言硬件式保護(hù)板（簡單保護(hù)板）軟件式保護(hù)板（通訊保護(hù)板，啟動(dòng)電源保護(hù)板，Discover保護(hù)板等）電池管理系統(tǒng)（BMS）應(yīng)用案例及相關(guān)問題8-硬件式保護(hù)板（簡單保護(hù)板）硬件式保護(hù)板：應(yīng)用專用鋰電池保護(hù)芯片，當(dāng)電池電壓達(dá)到上限值或下限值時(shí)，控制開關(guān)器件MOS管切斷充電回路或放電回路，實(shí)現(xiàn)保護(hù)電池組的目的。特點(diǎn)：1，只實(shí)現(xiàn)過充、過放保護(hù)。部分能實(shí)現(xiàn)過流保護(hù)、反接保護(hù)。其它附加功能通通不能滿足2，保護(hù)閥值不可更改（一般保護(hù)點(diǎn)為3.9V和2.0V）3，均衡閥值不可更改（一般均衡電流在150mA以下）分類：

硬件式保護(hù)板從電流走向可分為：分口保護(hù)板—總共三個(gè)接口：充電口，放電口，公共端

共口保護(hù)板—總共兩個(gè)接口：正、負(fù)接口9-簡單保護(hù)板電阻保護(hù)IC電容MOS管PCB10-簡單保護(hù)板放電MOS管4顆充電MOS管1顆一款分口保護(hù)板：5A充20A放散熱板支撐柱11-簡單保護(hù)板一款共口保護(hù)板：30A充放充電MOS管放電MOS管采樣電阻12-分口和共口區(qū)別分口保護(hù)板共口保護(hù)板為什么要區(qū)分共口和分口？1，對于客戶來說，一般不關(guān)心是分口還是共口。他們只需要給他們提供電池正負(fù)極。只不過有些客戶充電口和放電口共用一個(gè)接口，有些客戶要求充電口和放電口可以分開接線。2，保護(hù)板過流能力是由MOS管的過流能力和數(shù)量決定的；MOS管占了保護(hù)板大部分成本。一般來說，充電電流較小，放電電流較大。對于這種應(yīng)用需求，我們設(shè)計(jì)成分口保護(hù)板，以降低成本13-分口和共口選擇原則基本原則1，個(gè)別了解保護(hù)板原理和成本構(gòu)成的客戶會指定用分口或共口，這種情況下客戶說了算。2，如果充電電流小，放電電流大。比如充電5A，放電20A。建議選用分口。（充電配置1個(gè)MOS管，放電配置4個(gè)MOS管）3，如果充電電流和放電電流差不多，或者充電電流比放電電流大。建議選用共口板。（充電MOS管和放電MOS管一樣多）14-我司保護(hù)板的發(fā)展過程最早我們外購保護(hù)板早期外購的方式在交期、選型、售后維護(hù)等方面有很多問題，后來我司自己開發(fā)了一些列保護(hù)板。我司早期自己開發(fā)的保護(hù)板在原理方案，物料來料，單板加工檢測等方面也存在問題，因此一直以來產(chǎn)品都不是很穩(wěn)定。公司原先策略是把我司自己開發(fā)的庫存保護(hù)板用完后不再自己開發(fā)生產(chǎn)，全部轉(zhuǎn)為外購?，F(xiàn)在很多比較專業(yè)的保護(hù)板廠家知道我們自己有做保護(hù)板，都不愿和我司合作。因此后續(xù)可能還需要自己開發(fā)。目前新一代的保護(hù)板系列型號在陸續(xù)開發(fā)中。在功能和可靠性方面都有較大提升。最新選型表15-保護(hù)板基本工作原理充放電端電電芯放電MOS管保護(hù)板原理框圖（簡化圖）IC過放控制過充控制-n節(jié)電芯+充電MOS管16-保護(hù)板基本工作原理IC初始電量較低，單體電壓較低過放控制過充控制+-充電此時(shí)正常充電17-保護(hù)板基本工作原理IC過放控制過充控制+-充電此時(shí)正常充電電量增加，單體電壓逐漸上升，但仍未到保護(hù)電壓18-保護(hù)板基本工作原理IC電量過放控制過充控制+-充電STOP3.9V此時(shí)充電MOS關(guān)電池充滿，單體電壓達(dá)到上限保護(hù)點(diǎn)，IC控制MOS管關(guān)斷，停止充電19-保護(hù)板基本工作原理過放控制-IC+放電LOAD此時(shí)正常放電電池帶電，可以持續(xù)放電20-保護(hù)板基本工作原理放電IC+LOAD此時(shí)正常放電電池帶電量減小，但電壓還未到欠壓保護(hù)點(diǎn)，繼續(xù)放電21-保護(hù)板基本工作原理-放電STOP2.0VIC+此時(shí)放電MOS管關(guān)LOAD電池帶電量以及很少，電壓還到了欠壓保護(hù)點(diǎn)，IC控制MOS管停止放電22-保護(hù)板使用需要注意事項(xiàng)不能隨意串聯(lián)：保護(hù)板的開關(guān)器件使用的是MOS管，MOS管的價(jià)格與其耐壓成正比關(guān)系，因此設(shè)計(jì)保護(hù)板時(shí)選用MOS管的耐壓等級一般只會比對應(yīng)電池組電壓高一些，不會留太大余量。

例如：對于4串保護(hù)板，電池組最高電壓不會超過16V，因此MOS管一般選20V或者25V。

如果用兩塊4串保護(hù)板的電池組串聯(lián)起來用于組成8串的電池組，當(dāng)保護(hù)板的ＭＯＳ管斷開時(shí)，整個(gè)電池組的電壓會施加在ＭＯＳ管上，導(dǎo)致ＭＯＳ管過壓擊穿損壞。持續(xù)工作電流與峰值電流定義：一般峰值電流定義為持續(xù)時(shí)間小于１０Ｓ的瞬間電流。23-保護(hù)板均衡功能為什么要加均衡：電芯由于生產(chǎn)工藝所限，不可能做到每一個(gè)電芯的電壓內(nèi)阻等做到完全一致。在串聯(lián)使用的過程中，內(nèi)阻大的電芯先放完電，又先充飽電，長期這樣使用，各個(gè)串聯(lián)電芯的容量和電壓的差異也越來越明顯。均衡的目的：使各電芯電壓保持一致，最大限度的增加電池組的放電容量，延長電池組的使用壽命。

目前最通用的均衡方式主要分為兩種，一種是耗能式，另一種

是能量轉(zhuǎn)移式。24-保護(hù)板均衡原理電壓低于均衡開啟電壓3.6V電池電壓1，多個(gè)電池單體（cells）并聯(lián)成一個(gè)模塊（Module），多個(gè)模塊串聯(lián)成電池組（Battery）。每個(gè)模塊都有一個(gè)獨(dú)立的并聯(lián)均衡電路。2，鋰電池保護(hù)IC測量每一個(gè)電池（模塊）電壓。當(dāng)電池電壓低于均衡開啟電壓時(shí)，均衡電路不啟動(dòng)。電壓低于均衡開啟電壓3.6V電壓低于均衡開啟電壓3.6V25-保護(hù)板均衡原理電壓仍低于均衡開啟電壓3.6V電壓仍低于均衡開啟電壓3.6V電壓高于均衡開啟電壓3.6V

IC啟動(dòng)均衡，閉合開關(guān)，通過均衡電阻對該電池進(jìn)行放電。以使該電池的電壓上升速度相對于其它節(jié)電池電壓上升速度相對較慢，達(dá)到電池均衡的目的。

均衡電流：I=U/RU：該節(jié)電池電壓R：均衡電阻，一般取20Ω~100Ω之間的阻值。根據(jù)均衡能力要求確定。RRRI26-保護(hù)板均衡原理電壓高于均衡開啟電壓3.6V電壓高于均衡開啟電壓3.6V充電過程中，電池電壓逐步上升。任何一節(jié)電池電壓到達(dá)均衡開啟電壓3.6V，則此串電池對應(yīng)的均衡電路開啟。I1=U1/RI2=U2/R因?yàn)閁1>U2，因此I1>I2，電壓仍低于均衡開啟電壓3.6VI1I2RRR27-保護(hù)板均衡原理電壓高于均衡開啟電壓3.6V電壓高于均衡開啟電壓3.6V充電過程中，電池電壓逐步上升。任何一節(jié)電池電壓到達(dá)均衡開啟電壓3.6V，則此串電池對應(yīng)的均衡電路開啟。I1=U1/RI2=U2/RI3=U3/R因?yàn)閁1>U2>U3，即I1>I2>I3。因此即使每節(jié)電池都開啟了均衡，但因?yàn)榫怆娏鞔笮〔灰粯?，因此仍然能起到均衡的作用I1I2RRRI3U2U1U3電壓高于均衡開啟電壓3.6V28-目錄前言簡單保護(hù)板（硬件保護(hù)板）軟件保護(hù)板（通訊保護(hù)板，啟動(dòng)電源保護(hù)板，Discover保護(hù)板等）電池管理系統(tǒng)（BMS）應(yīng)用案例及相關(guān)問題29-通訊保護(hù)板需求來源：

通訊基站對設(shè)備的供電要求非常高，不允許設(shè)備停電。因此各個(gè)通訊基站都會配置不同容量的儲備電池，當(dāng)市電停電時(shí)，電池可以繼續(xù)供電，確保通訊安全。早期用的大多是鉛酸電池。近年來逐漸開始批量使用鋰電池通訊基站分類：

1.大型通訊基站：相當(dāng)于一個(gè)地區(qū)的中轉(zhuǎn)站，一般工作電流在30A上下，若停站影響非常大，整個(gè)區(qū)域網(wǎng)絡(luò)中斷2.小型通訊基站：一般只覆蓋1平方公里之內(nèi)的空曠區(qū)域，工作電流在10A上下3.直放站：通過光纖將信號接入各個(gè)角落的通訊設(shè)備，通訊設(shè)備連接各個(gè)死角的天線，起到信號加強(qiáng)的作用，消除通訊死角，斷站影響較小，工作電流在5A上下

30-通訊保護(hù)板

由于通訊基站發(fā)展多年，各種技術(shù)已經(jīng)非常成熟。因此對于基站所使用的鋰電池要求也非常多。不同的移動(dòng)運(yùn)營商，不同的地區(qū)在進(jìn)行集采招標(biāo)時(shí)，都會或多或少的植入某些BMS廠商所特有的一些技術(shù)指標(biāo)，以達(dá)到屏蔽競爭對手的目的。最終的結(jié)果就是關(guān)于通訊保護(hù)板的技術(shù)要求指標(biāo)越來越多。技術(shù)規(guī)格書不同通訊保護(hù)板比較

31-通訊保護(hù)板

32-啟動(dòng)電源保護(hù)板對于充放電電流不是很大（一般小于100A）的應(yīng)用場合，可以通過在保護(hù)板上并聯(lián)MOS管來實(shí)現(xiàn)電流控制。但對于更大電流的充放電要求，不能通過無限并聯(lián)來解決大電流的問題。需要使用接觸器來進(jìn)行控制。24V啟動(dòng)電源，點(diǎn)火瞬間的電流達(dá)到600A，持續(xù)3~5秒。12V啟動(dòng)電源，點(diǎn)火瞬間的電流達(dá)到400A，持續(xù)3~5秒。

33-啟動(dòng)電源保護(hù)板

啟動(dòng)電源用于直接替代車上的24V鉛酸電池。啟動(dòng)電源保護(hù)板及相應(yīng)的控制系統(tǒng)可以應(yīng)用于所有和啟動(dòng)電池類似的，需要大電流充電或放電的移動(dòng)24V能源包產(chǎn)品。啟動(dòng)電源保護(hù)板基本功能：

過充過放保護(hù)；

主動(dòng)式電阻消耗均衡；

可開關(guān)控制設(shè)備開啟關(guān)閉；

具有232通訊接口。34-Discover保護(hù)板

控制原理和啟動(dòng)電源保護(hù)板類似功能增加很多：SD卡數(shù)據(jù)存儲功能；USB接口；顯示屏等成本較高35-目錄前言簡單保護(hù)板（硬件保護(hù)板）軟件保護(hù)板（通訊保護(hù)板，啟動(dòng)電源保護(hù)板，Discover保護(hù)板等）電池管理系統(tǒng)（BMS）應(yīng)用案例及相關(guān)問題36-電池管理系統(tǒng)（BMS）對于高壓大容量的電池組，用簡單保護(hù)板或軟件保護(hù)板無法實(shí)現(xiàn)對電池組的監(jiān)控和管理對于電動(dòng)車來說，管理好自己的電池組還不夠，還需要與整車控制器進(jìn)行通信配合，需要與充電機(jī)進(jìn)行通信配合。管理系統(tǒng)就是為了實(shí)現(xiàn)電池能源包的自保護(hù)，同時(shí)實(shí)現(xiàn)和充電機(jī)、整車控制器聯(lián)合。37-電池管理系統(tǒng)（BMS）管理系統(tǒng)組成：主機(jī)、采集模塊、顯示模塊、采集線束、通訊線束、功能線束、周邊配件、控制軟件。主機(jī)：電池系統(tǒng)的信息收集、分析與處理模塊。采集模塊：采集各箱電池的單體電壓、溫度、電流；控制制冷風(fēng)扇；控制加熱；CAN通訊將數(shù)據(jù)上傳給主機(jī)。顯示模塊：顯示電池組所有相關(guān)的信息；設(shè)置相關(guān)參數(shù)。采集線束：電壓采集線束、電流采集線束、絕緣采集線束、溫度采集線束通訊線束：主從通訊線（包含各模塊間的轉(zhuǎn)接通訊線）、外部CAN線、屏通訊線、485通訊線、GPRS通訊天線功能線束：電源線、繼電器控制線、風(fēng)扇線、均衡線配件：接觸器（繼電器）、霍爾電流傳感器