淺析BMS保護機制及工作原理

電動車的電瓶電池有時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，因此鋰電池組總會有一塊精致的BMS 相伴，BMS指的是是Battery Management System電池管理系統(tǒng)，也叫保護板。

一、BMS功能

首先，我們將詳述其四個主要功能。

（一）感知和測量測量即感知電池的狀態(tài)

這是BMS基本功能，包括一些指標參數(shù)的計量和計算，其中有電壓、電流、溫度、電量、SOC（state of charge）、SOH（state of health）、SOP（state of power）、SOE（state of energy）。

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），是當前電池的實際容量與額定容量的比值，當SOH低于80%時電池便不可用于動力環(huán)境。

（二）告警和保護

在電池出現(xiàn)異常狀態(tài)時，BMS可以向平臺進行告警并進行保護電池并采取相應(yīng)的處理措施，同時，會將異常告警信息發(fā)送至監(jiān)控管理平臺并生成不同等級的告警信息。

如，溫度過熱時，BMS會直接斷開充放電回路，進行過熱保護，并向后臺發(fā)出告警。

鋰電池主要會針對以下問題發(fā)出告警：

過充：單體過壓、總電壓過壓、充電過流；

過放：單體欠壓、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48V/20AH電池組的各電芯，其壓差、內(nèi)阻等的一致性指標，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)的過程中是永遠不可能一致的。即使是同一塊電池包，也會因為溫度、磕碰度不同造成電池充放量不同，從而導(dǎo)致電芯容量不一致。

因此，電池就需要均被動均衡和主動均衡。即設(shè)定一對啟動和結(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到50mV時啟動均衡，5mV結(jié)束均衡。

（四）通信和定位

BMS有單獨的通信模塊，作用分別是數(shù)據(jù)傳輸和電池定位，能夠?qū)⒏兄蜏y量到的相關(guān)數(shù)據(jù)實時傳遞到運營管理平臺。

二、BMS保護工作原理

BMS包括控制IC、MOS開關(guān)、保險絲Fuse、NTC熱敏電阻、TVS瞬態(tài)電壓抑制器、電容及存儲器等。其具體形式如圖所示：

上圖中，控制IC通過控制MOS開關(guān)實現(xiàn)電路的導(dǎo)通和關(guān)閉，以保護電路，F(xiàn)USE在此基礎(chǔ)上實現(xiàn)二級保護；TH為溫度檢測，內(nèi)部是一個10K NTC；NTC主要實現(xiàn)溫度檢測；TVS主要是抑制浪涌。

（一）一級保護電路

控制IC上圖的控制IC負責(zé)監(jiān)測電池電壓與回路電流，并控制兩個MOS的開關(guān)?？刂艻C具體可分為AFE和MCU： AFE（Active Front End，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（（Microcontroller Unit，微控制器芯片）主要對AFE采集來的信息進行計算和控制。

二者的關(guān)系如圖所示：

1.AFE

AFE一般是6腳芯片，CO、DO、VDD、VSS、DP和VM，簡介如下： CO：charge output（充電控制）； DO：discharge output（放電控制）； VDD：電源電壓，又叫輸出電壓，是電壓最高的地方； VSS：基準電壓，是電壓最低的地方； VM：監(jiān)測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VDD、VSS、VM任何一項參數(shù)變換時，CO或DO端的電平將發(fā)生變化。

2. MCU

MCU指的是微控制單元，又稱單片機，具有性能高、功耗低、可編程、靈活度高等優(yōu)點。被廣泛應(yīng)用于消費電子、汽車、工業(yè)、通信、計算、家電、醫(yī)療設(shè)備等領(lǐng)域。 在BMS中，MCU相當于大腦，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?shù)臎Q策。 MCU芯片處理AFE芯片采集的信息，起到計算（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MCU芯片的性能要求較高。AFE和MCU通過控制MOS來實現(xiàn)對電路的保護。

3.MOS

MOS是Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor的縮寫，簡稱場效應(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)通電阻對電路的性能影響很小。正常狀態(tài)下保護電路的消耗電流為μA級，通常小于7μA。

4.BMS一級保護的實現(xiàn)：控制IC與MOS聯(lián)動

鋰電池如果過充、過放或過流，將會導(dǎo)致電池內(nèi)部發(fā)生化學(xué)副反應(yīng)，從而嚴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，BMS將開啟保護機制，執(zhí)行如下：

以上內(nèi)容可以簡述為：

（二）二級保護電路：三端熔絲Fuse

出于安全性考慮，仍需增加二級保護機制。當前階段，REP（Resistor Embedded Protector，內(nèi)置電阻保護器）的應(yīng)用度較高，而三端熔絲Fuse相比之下性價比更高。

當電流過大時，F(xiàn)use和普通熔絲原理相同，會被熔斷；而MOS運行狀態(tài)異常時，主控控制三端熔絲將主動熔斷。 這款安全保護機制優(yōu)點主要在功耗小、反應(yīng)速度快、保護效果好，現(xiàn)階段應(yīng)用性極高，已經(jīng)在電動車、手機等設(shè)備上被廣泛使用。

（三）三級保護電路：NTC和TVS1.NTC熱敏電阻

熱敏電阻，顧名思義其對熱度極度敏感，是可變電阻的一種，主要分為PTC和NTC兩種。

PTC（Positive Temperature Coefficient，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)機之類產(chǎn)品。

NTC（Negative Temperature Coefficient，負溫度系數(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，精準度高且反應(yīng)迅速，主要有三大作用。

（1）溫度測量

利用該電阻的特性，可以測量以下三個溫度范疇：

電芯溫度：將NTC熱敏電阻放置在電芯之間，實現(xiàn)電芯溫度的測量，需要考慮每個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，實現(xiàn)功率溫度的測量，需要在安裝時確保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，實現(xiàn)環(huán)境溫度的測量，要求安裝位置遠離功率器件。

（2）溫度補償

大部分元器件的電阻都會隨著溫度上升而增大，此時需要用NTC進行補償，抵消溫度造成的誤差情況。

（3）抑制浪涌電流

浪涌（electrical surge），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。 電子電路在開機時會產(chǎn)生較大的浪涌電流，容易對元器件造成損壞，使用NTC可以防止這種情況的產(chǎn)生，保證電路正常工作。而對于浪涌的保護就需要用到TVS。

2.TVS瞬態(tài)電壓抑制器

TVS（Transient Voltage Suppressors）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功能。具體執(zhí)行如下：

當電路出現(xiàn)異常高電壓時，TVS會迅速調(diào)整電阻狀態(tài)，將瞬時電流釋放到地，保護后級電路免遭損壞；異常電壓情況結(jié)束后，TVS會復(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。寧德時代董事長曾毓群曾表示，寧德時代在電池生產(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?/u>和思瑞浦。