淺析BMS保護(hù)機(jī)制及工作原理

電動(dòng)車的電瓶電池有時(shí)候使用的正是鋰電池，這種電池材料存在一定的特性，使其不能被過充、過放、過流、短路及超高低溫充放電，因此鋰電池組總會(huì)有一塊精致的BMS相伴，BMS指的是是BatteryManagementSystem電池管理系統(tǒng)，也叫保護(hù)板。一、BMS功能首先，我們將詳述其四個(gè)主要功能。（一）感知和測(cè)量測(cè)量即感知電池的狀態(tài)這是BMS基本功能，包括一些指標(biāo)參數(shù)的計(jì)量和計(jì)算，其中有電壓、電流、溫度、電量、SOC（stateofcharge）、SOH（stateofhealth）、SOP（stateofpower）、SOE（stateofenergy）。SOC可以通俗理解為電池還剩下多少電量，其數(shù)值在0-100%之間，這是BMS中最重要的參數(shù)；SOH指電池的健康狀態(tài)（或電池劣化程度），是當(dāng)前電池的實(shí)際容量與額定容量的比值，當(dāng)SOH低于80%時(shí)電池便不可用于動(dòng)力環(huán)境。（二）告警和保護(hù)在電池出現(xiàn)異常狀態(tài)時(shí)，BMS可以向平臺(tái)進(jìn)行告警并進(jìn)行保護(hù)電池并采取相應(yīng)的處理措施，同時(shí)，會(huì)將異常告警信息發(fā)送至監(jiān)控管理平臺(tái)并生成不同等級(jí)的告警信息。如，溫度過熱時(shí)，BMS會(huì)直接斷開充放電回路，進(jìn)行過熱保護(hù)，并向后臺(tái)發(fā)出告警。鋰電池主要會(huì)針對(duì)以下問題發(fā)出告警：過充：?jiǎn)误w過壓、總電壓過壓、充電過流；過放：?jiǎn)误w欠壓、總電壓欠壓、放電過流；溫度：電芯溫度過高、環(huán)境溫度過高、MOS溫度過高、電芯溫度過低、環(huán)境溫度過低；狀態(tài)：水浸、碰撞、倒置等。（三）均衡管理均衡管理的必要性來自于電池的生產(chǎn)和使用的不一致性。從生產(chǎn)角度看，每塊電池都有自己的生命周期和特性，沒有一模一樣的兩塊電池，由于隔膜、陰極、陽極等材料的不一致，不同電池的容量也不能完全一致。如組成一個(gè)48V/20AH電池組的各電芯，其壓差、內(nèi)阻等的一致性指標(biāo)，均有一定范圍內(nèi)的差異。從使用角度來看，在電池充放電的過程中，電化學(xué)反應(yīng)的過程中是永遠(yuǎn)不可能一致的。即使是同一塊電池包，也會(huì)因?yàn)闇囟取⒖呐龆炔煌斐呻姵爻浞帕坎煌?，從而?dǎo)致電芯容量不一致。因此，電池就需要均被動(dòng)均衡和主動(dòng)均衡。即設(shè)定一對(duì)啟動(dòng)和結(jié)束均衡的閾值：比如，一組電池中，單體電壓極值與這組電壓平均值的差值達(dá)到50mV時(shí)啟動(dòng)均衡，5mV結(jié)束均衡。（四）通信和定位BMS有單獨(dú)的通信模塊，作用分別是數(shù)據(jù)傳輸和電池定位，能夠?qū)⒏兄蜏y(cè)量到的相關(guān)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳遞到運(yùn)營(yíng)管理平臺(tái)。二、BMS保護(hù)工作原理BMS包括控制IC、MOS開關(guān)、保險(xiǎn)絲Fuse、NTC熱敏電阻、TVS瞬態(tài)電壓抑制器、電容及存儲(chǔ)器等。其具體形式如圖所示：上圖中，控制IC通過控制MOS開關(guān)實(shí)現(xiàn)電路的導(dǎo)通和關(guān)閉，以保護(hù)電路，F(xiàn)USE在此基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)二級(jí)保護(hù)；TH為溫度檢測(cè)，內(nèi)部是一個(gè)10KNTC；NTC主要實(shí)現(xiàn)溫度檢測(cè)；TVS主要是抑制浪涌。（一）一級(jí)保護(hù)電路控制IC上圖的控制IC負(fù)責(zé)監(jiān)測(cè)電池電壓與回路電流，并控制兩個(gè)MOS的開關(guān)?？刂艻C具體可分為AFE和MCU：AFE（ActiveFrontEnd，模擬前端芯片）即電池的采樣芯片，主要用來采集電芯電壓、電流等。MCU（(MicrocontrollerUnit，微控制器芯片）主要對(duì)AFE采集來的信息進(jìn)行計(jì)算和控制。二者的關(guān)系如圖所示：1.AFEAFE一般是6腳芯片，CO、DO、VDD、VSS、DP和VM，簡(jiǎn)介如下：CO：chargeoutput（充電控制）；DO：dischargeoutput（放電控制）；VDD：電源電壓，又叫輸出電壓，是電壓最高的地方；VSS：基準(zhǔn)電壓，是電壓最低的地方；VM：監(jiān)測(cè)MOS兩端的電壓值。在BMS正常的情況下，CO、DO、VDD為高電平，VSS、VM為低電平，當(dāng)VDD、VSS、VM任何一項(xiàng)參數(shù)變換時(shí)，CO或DO端的電平將發(fā)生變化。2.MCUMCU指的是微控制單元，又稱單片機(jī)，具有性能高、功耗低、可編程、靈活度高等優(yōu)點(diǎn)。被廣泛應(yīng)用于消費(fèi)電子、汽車、工業(yè)、通信、計(jì)算、家電、醫(yī)療設(shè)備等領(lǐng)域。在BMS中，MCU相當(dāng)于大腦，通過其外圍設(shè)備從傳感器捕獲所有數(shù)據(jù)，并根據(jù)電池組的配置文件處理數(shù)據(jù)以做出適當(dāng)?shù)臎Q策。MCU芯片處理AFE芯片采集的信息，起到計(jì)算（比如SOC、SOP等）和控制（MOS關(guān)斷、導(dǎo)通等）的作用，因此電池管理系統(tǒng)對(duì)MCU芯片的性能要求較高。AFE和MCU通過控制MOS來實(shí)現(xiàn)對(duì)電路的保護(hù)。3.MOSMOS是Metal-Oxide-SemiconductorField-EffectTransistor的縮寫，簡(jiǎn)稱場(chǎng)效應(yīng)管，在電路中起開關(guān)作用，分別控制著充電回路與放電回路的導(dǎo)通與關(guān)斷。其導(dǎo)通阻抗很小，因此其導(dǎo)通電阻對(duì)電路的性能影響很小。正常狀態(tài)下保護(hù)電路的消耗電流為μA級(jí)，通常小于7μA。4.BMS一級(jí)保護(hù)的實(shí)現(xiàn)：控制IC與MOS聯(lián)動(dòng)鋰電池如果過充、過放或過流，將會(huì)導(dǎo)致電池內(nèi)部發(fā)生化學(xué)副反應(yīng),從而嚴(yán)重影響電池的性能與使用壽命，并可能產(chǎn)生大量氣體，使電池內(nèi)部壓力迅速增大，最后導(dǎo)致泄壓閥打開，電解液噴出發(fā)生熱失控。在出現(xiàn)上述情況時(shí)，BMS將開啟保護(hù)機(jī)制，執(zhí)行如下：以上內(nèi)容可以簡(jiǎn)述為：（二）二級(jí)保護(hù)電路：三端熔絲Fuse出于安全性考慮，仍需增加二級(jí)保護(hù)機(jī)制。當(dāng)前階段，REP（ResistorEmbeddedProtector，內(nèi)置電阻保護(hù)器）的應(yīng)用度較高，而三端熔絲Fuse相比之下性價(jià)比更高。當(dāng)電流過大時(shí)，F(xiàn)use和普通熔絲原理相同，會(huì)被熔斷；而MOS運(yùn)行狀態(tài)異常時(shí)，主控控制三端熔絲將主動(dòng)熔斷。這款安全保護(hù)機(jī)制優(yōu)點(diǎn)主要在功耗小、反應(yīng)速度快、保護(hù)效果好，現(xiàn)階段應(yīng)用性極高，已經(jīng)在電動(dòng)車、手機(jī)等設(shè)備上被廣泛使用。（三）三級(jí)保護(hù)電路：NTC和TVS1.NTC熱敏電阻熱敏電阻，顧名思義其對(duì)熱度極度敏感，是可變電阻的一種，主要分為PTC和NTC兩種。PTC（PositiveTemperatureCoefficient，正溫度系數(shù)熱敏電阻器），溫度越高，電阻越大，主要用于滅蚊器、暖風(fēng)機(jī)之類產(chǎn)品。NTC（NegativeTemperatureCoefficient，負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻器）與PTC相反，溫度越高電阻越低，主要用作電阻溫度傳感器和限流裝置。鋰電池的BMS一般使用的是NTC，相較之下該產(chǎn)品耗電量較小，精準(zhǔn)度高且反應(yīng)迅速，主要有三大作用。（1）溫度測(cè)量利用該電阻的特性，可以測(cè)量以下三個(gè)溫度范疇：電芯溫度：將NTC熱敏電阻放置在電芯之間，實(shí)現(xiàn)電芯溫度的測(cè)量，需要考慮每個(gè)NTC所覆蓋的電芯數(shù)量情況。功率溫度：將NTC熱敏電阻放置在MOS之間，實(shí)現(xiàn)功率溫度的測(cè)量，需要在安裝時(shí)確保NTC要與MOS器件緊密接觸。環(huán)境溫度：將NTC熱敏電阻放置在BMS板上，實(shí)現(xiàn)環(huán)境溫度的測(cè)量，要求安裝位置遠(yuǎn)離功率器件。（2）溫度補(bǔ)償大部分元器件的電阻都會(huì)隨著溫度上升而增大，此時(shí)需要用NTC進(jìn)行補(bǔ)償，抵消溫度造成的誤差情況。（3）抑制浪涌電流浪涌（electricalsurge），也叫突波，即瞬間出現(xiàn)超出穩(wěn)定值的峰值，包括浪涌電壓和浪涌電流。電子電路在開機(jī)時(shí)會(huì)產(chǎn)生較大的浪涌電流，容易對(duì)元器件造成損壞，使用NTC可以防止這種情況的產(chǎn)生，保證電路正常工作。而對(duì)于浪涌的保護(hù)就需要用到TVS。2.TVS瞬態(tài)電壓抑制器TVS（TransientVoltageSuppressors）即瞬態(tài)電壓抑制器，它響應(yīng)速度快，適合用于做端口防護(hù)功能。具體執(zhí)行如下：當(dāng)電路出現(xiàn)異常高電壓時(shí)，TVS會(huì)迅速調(diào)整電阻狀態(tài)，將瞬時(shí)電流釋放到地，保護(hù)后級(jí)電路免遭損壞；異常電壓情況結(jié)束后，TVS會(huì)復(fù)原。三、BMS關(guān)鍵器件的國產(chǎn)化目前國內(nèi)BMS生產(chǎn)制造過程中極度缺乏相關(guān)核心芯片的研究，尤其是AFE芯片。寧德時(shí)代董事長(zhǎng)曾毓群曾表示，寧德時(shí)代在電池生產(chǎn)過程中沒有直接涉及美國的技術(shù)、材料或是設(shè)備，現(xiàn)在唯一依賴美國的就是BMS里的芯片。（一）AFE模擬前端芯片根據(jù)市場(chǎng)份額來看，僅AFE芯片的生產(chǎn)廠家來看，美國占據(jù)全球70%的市場(chǎng)份額，其中亞德諾半導(dǎo)體和德州儀器兩家就已經(jīng)占據(jù)了60%左右，而國產(chǎn)芯片目前上升較快的廠商為中穎電子、芯?？萍己退既鹌?。（二）MCU芯片針對(duì)MCU芯片來看，市場(chǎng)份額主要由歐美、日本和臺(tái)灣地區(qū)企業(yè)占據(jù)，僅NXP（荷蘭恩智浦）、Microchip（美國微芯科技）、ST（意法半導(dǎo)體）、infineon(德國英飛凌)就占據(jù)超80%的份額，中國大陸企業(yè)所占份額極小，僅兆易創(chuàng)新和極海半導(dǎo)體成長(zhǎng)較快。四、BMS問題及優(yōu)化方向BMS不只是BMS研發(fā)廠家的職責(zé)，它是一個(gè)系統(tǒng)工程，需要電芯廠家、BMS廠家、PACK廠家，尤其是換電運(yùn)營(yíng)商的共同參與。（一）換電運(yùn)營(yíng)商BMS作為鋰電池的管理控制系統(tǒng)，實(shí)質(zhì)是將基于用戶需求的運(yùn)營(yíng)經(jīng)驗(yàn)，進(jìn)行細(xì)化、總結(jié)、固化到BMS中。而換電運(yùn)營(yíng)商其最接近用戶，最懂用戶的需求，因此，換電運(yùn)營(yíng)商是BMS的主導(dǎo)者。（二）BMS廠家BMS廠家最懂電子電路，它基于電芯性能，結(jié)合換電運(yùn)營(yíng)商需求，進(jìn)行BMS架構(gòu)搭建和開發(fā)，起著承上啟下的作用。但其弱點(diǎn)也非常突出，主要表現(xiàn)在對(duì)電芯的理解深度還不夠理想，導(dǎo)致管控策略和電芯實(shí)際存在差異。（三）電芯廠家電芯廠家最懂化學(xué)，這其實(shí)是整個(gè)BMS管控的基礎(chǔ)所在，因?yàn)锽MS的一切管控都是基于電芯和電池組進(jìn)行的。但目前，電芯廠家對(duì)電子電路的理解還需要提升，比如哪種信息采集方式可以采集到最準(zhǔn)確的電芯信息。（四）PACK廠家PACK廠家是將電芯與BMS組裝成電池組，其對(duì)電芯的排列、BMS位置的擺放和組裝的加工工藝等都影響著BMS