分析（BMS）鋰電池保護板如何實現(xiàn)保護和系統(tǒng)設計思路-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、負極板纏繞或層疊，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，質量真差?！?/span>
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為結構，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，那么作為產品經理，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)，能夠實時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計了。
電壓保護相關的項目：
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。
假設我們設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（電流保護只關心最大值，不用關心最小值），這個過程與電壓保護大同小異。
※電流過大產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，第一重保護的設定值比較小，延時時間比較長，第二重保護的設定值比較大，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，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)中就應該設計電壓均衡功能。
電壓均衡分為主動與被動，被動均衡是設計硬件電壓，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)，用串轉并的譯碼器作成開關電路，控制系統(tǒng)只在充電過程中均衡，可以更為靈活的設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導致瞬間電流過大，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。
我經常會在網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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