淺析鋰電池保護(hù)板（BMS）系統(tǒng)設(shè)計(jì)思路（一

什么是BMS？
首先必須弄懂一個(gè)定義，什么是BMS？
BMS其實(shí)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(lái)進(jìn)行鋰電池運(yùn)行管理的模塊，對(duì)象是鋰電池。
對(duì)于一般的終端用戶而言，鋰電池保護(hù)板其實(shí)并不存在，或者說(shuō)，他們并不知道正在自己使用的產(chǎn)品中還有這么一個(gè)東西。比如說(shuō)電動(dòng)車，100%的用戶都知道電動(dòng)車上面有電池，因?yàn)殡姵靥峁┝四茉矗腋冶ＷC，最多有1%的用戶知道還有鋰電池保護(hù)板這個(gè)東西的存在。
BMS的存在感之所以如此低，完全是因?yàn)樗⒉荒芎陀脩舢a(chǎn)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(chǎn)生了一些數(shù)據(jù)，不過(guò)這些數(shù)據(jù)也是通過(guò)某些儀表盤傳遞給用戶觀測(cè)，當(dāng)用戶看見儀表盤上的紅燈時(shí)只會(huì)說(shuō)：“嗯，車子好像是壞掉了，質(zhì)量真差。”
話說(shuō)回來(lái)，BMS雖然存在感低，不過(guò)它存在的意義卻是絲毫不亞于儀表，甚至可以說(shuō)是比儀表還重要，因?yàn)樗梢?a target="_blank">檢測(cè)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(xiǎn)的情況下知道這輛車到底是好是壞。
如果有一個(gè)行業(yè)內(nèi)的嵌入式工程師要買一輛電動(dòng)車，在一輛沒(méi)有顯示儀表和BMS板子的電動(dòng)車中進(jìn)行選擇，那么他肯定不敢選后者，因?yàn)槿绻妱?dòng)車沒(méi)有了儀表，那么用戶體驗(yàn)會(huì)極差，但如果電動(dòng)車沒(méi)有了BMS……與其說(shuō)是一輛電動(dòng)車，還不如說(shuō)是一輛隨時(shí)可能發(fā)生被激活的炸彈。
那么BMS在能源領(lǐng)域?yàn)槭裁慈绱酥匾?？BMS的存在到底有什么意義？
本文便從一個(gè)底層工程師的角度，以電動(dòng)車用的BMS模塊作為例子專門對(duì)鋰電池的保護(hù)板設(shè)計(jì)進(jìn)行一些探討，并且會(huì)給出一個(gè)參考方案，當(dāng)然由于筆者能力有限，水平一般，如果文中出現(xiàn)了錯(cuò)誤或者紕漏，請(qǐng)直接指出。
BMS的大體需求是什么？
當(dāng)設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)拿到一個(gè)項(xiàng)目，開始開發(fā)的時(shí)候，首先必須要搞清楚的便是項(xiàng)目的需求，這個(gè)需求可不僅僅是老板口頭上說(shuō)幾句話，而是需要一個(gè)切實(shí)的、詳細(xì)的、標(biāo)準(zhǔn)的文檔，文檔要以1、2、3為結(jié)構(gòu)，明確的把所有的需求點(diǎn)給羅列出來(lái)。
我們現(xiàn)在拿到了一個(gè)項(xiàng)目：低速電動(dòng)車的BMS板。
只要項(xiàng)目立項(xiàng)成功，那么作為產(chǎn)品經(jīng)理，或者團(tuán)隊(duì)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(diǎn)二字在于“管理”，要想實(shí)現(xiàn)管理功能，必然需要兩個(gè)模塊，第一：監(jiān)測(cè)。第二：控制。只有在我能夠監(jiān)測(cè)這個(gè)系統(tǒng)的前提下，我才能控制這個(gè)系統(tǒng)。
由此為核心點(diǎn)，我便可以慢慢的羅列出大致需求：
1. 監(jiān)測(cè)能源系統(tǒng)，能夠?qū)崟r(shí)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(shí)候進(jìn)行干預(yù)（比如斷開/閉合充放電回路的MOS管）。

保護(hù)功能如何實(shí)現(xiàn)？
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(huì)有什么數(shù)據(jù)？
1. 電壓
2. 電流
3. 溫度
作為一個(gè)以管理鋰電池的系統(tǒng)而言，以上3點(diǎn)是我們要重點(diǎn)監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)，如果系統(tǒng)超級(jí)簡(jiǎn)單，采集的點(diǎn)只有3、4個(gè)，那么直接使用MCU的AD接口進(jìn)行讀取信息便可，但在實(shí)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(xué)特性決定了我們必須要對(duì)電壓進(jìn)行保護(hù)，所謂的電壓保護(hù)，是我們必須要保證鋰電池的電壓永遠(yuǎn)在合適的范圍之類，不能讓電壓過(guò)低，因?yàn)槠鋬?nèi)部存儲(chǔ)電能是靠電化學(xué)一種可逆的化學(xué)變化實(shí)現(xiàn)的，過(guò)度的放電會(huì)導(dǎo)致這種化學(xué)變化有不可逆的反應(yīng)發(fā)生，因此鋰電池最怕過(guò)放電，一旦放電電壓低于2.7V，將可能導(dǎo)致電池永久性損壞，也就是報(bào)廢。同時(shí)也不能讓電壓過(guò)高，因?yàn)殡姵匾坏┻^(guò)度充電，導(dǎo)致的危害遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于過(guò)放，過(guò)放最多損壞電池，不會(huì)對(duì)周圍造成危害，而過(guò)充則可能導(dǎo)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(hù)，也是我們必須要保證，無(wú)論是充電還是放電，電流都不能過(guò)大，大家都清楚的短路便是過(guò)流的一種體現(xiàn)，當(dāng)系統(tǒng)正負(fù)極直接接觸，導(dǎo)線電阻極小，導(dǎo)致電流極大，極大的電流又會(huì)產(chǎn)生大量的熱，從而引發(fā)的燃燒和爆炸是很致命的。其實(shí)，就算不是短路，但過(guò)大的電流依然會(huì)導(dǎo)致電池內(nèi)部發(fā)熱，這樣也極有可能會(huì)造成永久性的損害。
溫度：溫度保護(hù)不用多言，除開鋰電池本身的化學(xué)特性導(dǎo)致它不能在極端溫度下使用之外，我想任何一個(gè)類似的系統(tǒng)，為了安全起見都應(yīng)該考慮到溫度。
看到這里大家也應(yīng)該明白了，鋰電池保護(hù)系統(tǒng)的邏輯其實(shí)很簡(jiǎn)單，無(wú)非就是一些判斷，以及MOS管的控制，這些東西只要是有過(guò)軟件基礎(chǔ)的大學(xué)生應(yīng)該都能實(shí)現(xiàn)。

現(xiàn)在將上面的保護(hù)細(xì)分：
電壓保護(hù)
一個(gè)鋰電池包，本身并不是一個(gè)整體，如果拆開它的外包裝就能發(fā)現(xiàn)，它其實(shí)是由N個(gè)18650電池經(jīng)過(guò)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(gè)鋰電池并聯(lián)，作為一個(gè)子單元，然后在由16個(gè)這樣的子單元串聯(lián)，最終才形成一個(gè)鋰電池包，若論單個(gè)18650電池的數(shù)量，至少有上百個(gè)之多。

由此，如果我們想要監(jiān)測(cè)并且保護(hù)系統(tǒng)的電壓情況，自然不能簡(jiǎn)單的只采集一個(gè)總體電壓，考慮到電池均衡等特性，雖然不用對(duì)每個(gè)電池進(jìn)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(cè)的。
如果一個(gè)16串的鋰電池包，那么需要監(jiān)控的電壓點(diǎn)自然不能低于16個(gè)（這就是為什么需要模擬前端的原因，系統(tǒng)采集點(diǎn)過(guò)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(jìn)行邏輯設(shè)計(jì)了。
電壓保護(hù)相關(guān)的項(xiàng)目：
1. 總體電壓
1. 總體過(guò)壓保護(hù)
2. 總體欠壓保護(hù)
2. 單體電壓
1. 單體過(guò)壓保護(hù)
2. 單體欠壓保護(hù)
※一般更容易觸發(fā)的保護(hù)當(dāng)然是單體，如果每一串電池的電壓的都沒(méi)問(wèn)題，那么總體電壓自然也不會(huì)有問(wèn)題。
保護(hù)過(guò)程：系統(tǒng)采集電壓量，進(jìn)行判斷，一旦檢測(cè)到某項(xiàng)指標(biāo)超過(guò)設(shè)定的保護(hù)值，并且系統(tǒng)的狀態(tài)符合保護(hù)條件（充電時(shí)不進(jìn)行欠壓保護(hù)，放電時(shí)不進(jìn)行過(guò)壓保護(hù)），然后持續(xù)了一定時(shí)間（防止抖動(dòng)），那么斷開充放電回路并進(jìn)行報(bào)警，至于是斷開充電還是放電，根據(jù)實(shí)際情況決定。
那么保護(hù)之后該如何恢復(fù)？總不能讓電動(dòng)車一次過(guò)充電后就永遠(yuǎn)報(bào)廢吧？
系統(tǒng)發(fā)生了保護(hù)，今后自然還有恢復(fù)的時(shí)候，如果系統(tǒng)發(fā)生了單體電壓保護(hù)，那么可以設(shè)定恢復(fù)值，等待電壓自然恢復(fù)到合適范圍，并且持續(xù)了一定時(shí)間以后（防止抖動(dòng)），便可以重新打開充放電回路。
※恢復(fù)值和保護(hù)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(dòng)的發(fā)生。
以下是關(guān)于電壓保護(hù)簡(jiǎn)易的邏輯表：

電流保護(hù)
電流的保護(hù)與電壓不同，它自然不會(huì)分為總體和單體，下面的鋰電池由幾個(gè)串組成對(duì)電流這個(gè)信息而言毫無(wú)意義，它關(guān)心的只是一個(gè)在負(fù)載/充電機(jī)回路上的總體量。

保護(hù)過(guò)程：電流是有方向的，因此我們?cè)诒Ｗo(hù)中也要考慮到這一點(diǎn)，放電過(guò)程中，電流從電池正極流出，經(jīng)過(guò)負(fù)載后再回到電池負(fù)極，充電過(guò)程中，電流從充電機(jī)的正極流出，經(jīng)過(guò)了電池后再回到充電機(jī)負(fù)極，這是兩個(gè)完全相反的過(guò)程。
假設(shè)我們?cè)O(shè)定充電過(guò)程的電流為正，那么放電時(shí)電流必然為負(fù)，在保護(hù)判斷中，等進(jìn)入了模塊后，我們用其絕對(duì)值與保護(hù)參數(shù)比較，當(dāng)超過(guò)正常值時(shí)斷開充放電回路（電流保護(hù)只關(guān)心最大值，不用關(guān)心最小值），這個(gè)過(guò)程與電壓保護(hù)大同小異。
※電流過(guò)大產(chǎn)生熱量累積這是一個(gè)持續(xù)的過(guò)程，所以在電流上一般會(huì)有兩重保護(hù)，第一重保護(hù)的設(shè)定值比較小，延時(shí)時(shí)間比較長(zhǎng)，第二重保護(hù)的設(shè)定值比較大，延時(shí)時(shí)間很短。比如說(shuō)電流>1A，500ms后保護(hù)，電流>5A，10ms后保護(hù)。

當(dāng)電流保護(hù)發(fā)生以后，我們并不能像電壓恢復(fù)一樣實(shí)時(shí)讀取數(shù)據(jù)，因?yàn)橐坏┪覀儼殉浞烹娀芈窋嚅_以后，回路上的電流瞬間就變成了0A，要想恢復(fù)保護(hù)狀態(tài)，一般有兩種條件：第一，不需要人工干預(yù)，在經(jīng)過(guò)一段時(shí)間之后，自動(dòng)打開回路，如果此刻依然為過(guò)流狀態(tài)，那么系統(tǒng)又會(huì)進(jìn)入保護(hù)，這樣反復(fù)來(lái)個(gè)幾次，便可以將系統(tǒng)的狀態(tài)設(shè)置為故障了。第二，需要人工干預(yù)，等負(fù)載或者充電機(jī)移除后，打開回路。
短路保護(hù)其實(shí)也是電流保護(hù)的一種，只不過(guò)當(dāng)系統(tǒng)短路以后，電流理論上會(huì)變成無(wú)限大，這樣產(chǎn)生的熱量也是無(wú)限大，如果要等到軟件反應(yīng)過(guò)來(lái)然后保護(hù)，系統(tǒng)說(shuō)不定早就完蛋了，因此，對(duì)于短路保護(hù)一般是采用硬件來(lái)自動(dòng)觸發(fā)，觸發(fā)后傳遞給MCU一個(gè)信號(hào)即可。

溫度保護(hù)
溫度保護(hù)比較簡(jiǎn)單，一般的邏輯就可以實(shí)現(xiàn)，溫度值有上限也有下限，甚至在細(xì)分還可以分為充電時(shí)的溫度保護(hù)以及放電時(shí)的溫度保護(hù)，根據(jù)項(xiàng)目的實(shí)際需要設(shè)計(jì)邏輯即可。
需要注意的是，在實(shí)際的測(cè)試中發(fā)現(xiàn)，溫度是一個(gè)比較容易抖動(dòng)的值（這和選用的傳感器有關(guān)，比如使用熱敏電阻），所以在判斷的時(shí)候保護(hù)值和恢復(fù)值一定要做出一個(gè)合理的區(qū)間，不然系統(tǒng)會(huì)不穩(wěn)定。

均衡控制
鋰電池系統(tǒng)中除了以上3個(gè)正常的保護(hù)量之外，還需要有一個(gè)保護(hù)措施，那便是均衡保護(hù)。
上面說(shuō)過(guò)，一個(gè)鋰電池包由N串電池組成，根據(jù)化學(xué)特性，如果某兩串電池的電壓相差過(guò)大，這就會(huì)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(jīng)可以說(shuō)是報(bào)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(dá)到了某個(gè)極限，導(dǎo)致出現(xiàn)故障的概率極大，那么無(wú)論是放電還是充電都不應(yīng)該在繼續(xù)進(jìn)行。
為了盡量避免這種情的出現(xiàn)，在BMS系統(tǒng)中就應(yīng)該設(shè)計(jì)電壓均衡功能。

電壓均衡分為主動(dòng)與被動(dòng)，被動(dòng)均衡是設(shè)計(jì)硬件電壓，使用電壓比較器，當(dāng)某串電池電壓與其它電池電壓相比過(guò)高時(shí)（比如相差達(dá)到50ms），或是使用別的元件來(lái)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(dòng)均衡在原理上也一樣，只不過(guò)可以由程序來(lái)控制均衡的更多細(xì)節(jié)，用串轉(zhuǎn)并的譯碼器作成開關(guān)電路，控制系統(tǒng)只在充電過(guò)程中均衡，可以更為靈活的設(shè)定均衡的電壓閾值等等。
審核編輯 黃宇