一文读懂BMS：电池安全管理的关键技术与设计要点

一文读懂BMS：电池安全管理的关键技术与设计要点

随着电动汽车和可再生能源的快速发展，电池管理系统（BMS）已经成为确保电池安全、高效运行的关键技术。本文将详细介绍BMS的设计注意事项和功能模块，帮助读者深入了解这一重要系统。

为什么我们需要电池管理系统（BMS）？

锂离子电池因其高充电密度和低重量而被证明是电动汽车制造商感兴趣的电池。尽管这些电池的尺寸非常大，但它们本质上非常不稳定。非常重要的是，在任何需要监控其电压和电流的情况下，这些电池都不应过度充电或放电不足。这个过程变得有点困难，因为电动汽车中有很多电池组合在一起形成电池组，并且每个电池都应该单独监控其安全性和高效运行，这需要一个称为电池管理系统的特殊专用系统。此外，为了获得电池组的最大效率，我们应该以相同的电压同时对所有电池进行完全充电和放电，这再次需要 BMS。除此之外，BMS 还负责许多其他功能，这将在下面讨论。

电池管理系统 (BMS) 设计注意事项

设计 BMS 时需要考虑很多因素。完整的考虑因素取决于 BMS 将用于的具体最终应用。除了电动汽车之外，BMS 还用于涉及锂电池组的任何地方，例如太阳能电池板阵列、风车、电力墙等。无论何种应用，BMS 设计都应考虑以下所有或多个因素。

1. BMS的功能模块

• 电池系统控制单元（BCU）：信息处理及功能实现模块
• 电池监测回路（BMC）：信息输入接口及输送内容
• 均衡电路：能量消散型单向均衡（被动均衡）/能量转移型双向均衡（主动均衡）
• 通信模块（外设）：命令执行及信息发送内容

1.1 电池安全管理

• 充电电流限制（CCL）和放电电流限制（DCD）切断
• 过压和欠压保护
• 活跃的温度电芯检测和控制（加热/冷却）
• 过渡运行的预防

1.1.1防护等级IPXX

1.1.2 阻燃材料等级

之后补

1.1.3 电池保护（使用电池开关）

电池保护
锂离子电池因其高功率密度而广受青睐。但该电池在临界条件下较易失控，因此需谨慎使用。
而这便需要电池管理系统 (BMS) 监控电池状态，保障运行安全。BMS 通常配有电子开关，在可能导致危险反应的临界条件下，后者将断开电池与充电器或负载的连接。而电池保护装置 (BPU) 则能保护电池芯免受损坏，防止电池故障。
若未能断开连接或管理电池则可能造成以下问题：
热失控：通常是由于电池过度充电或过热造成的。环境温度升高，或电池的充放电电流过高均有可能导致电池过热。热失控不仅会损坏电池芯，还会导致起火。
电池芯失效：通常是由于电池放电量高于其规定的阈值。
损坏负载设备：通常是由浪涌电流管理不良或电池极性反转所致。

1.1.3.1 电池保护拓扑

1.1.3.1.1 高边保护

在高边保护方案中，已关断的 MOSFET 将串联电池组的正极端。
优势：无旁路接地，无挂接接地。
劣势：栅极驱动器需集成电荷泵以驱动 MOSFET。

1.1.3.1.2 低边保护

在低边保护方案中，已关断的 MOSFET 将串联电池组的负极端。
优势：易于实施，栅极驱动器无需配备电荷泵。
劣势：挂接接地 → 存在通过电池壳体旁路接地的风险，从而影响通信和运行。

1.1.3.1.3 源极到源极的保护电路

在共源极配置中，MOSFET 将通过互连其源极串联彼此，而其漏极端则构成保护电路的输入端与输出端。此类 MOSFET 结构也可称为背对背配置。
优势：
切换速度更快。
成本更低。
仅需一个电荷泵或隔离式电源。
仅需一个栅极驱动器即可驱动两个 MOSFET。
设计更简洁。
劣势：
MOSFET 采用漏极底置封装，散热区域小。由于 MOSFET 产生的热量会散失至与控制与感测电路相连的铜片中，因此该设计将影响控制与感测解决方案的精度和效率。
在采用单个栅极驱动器的前提下，若发生故障，则两个 MOSFET 很可能同时失效。

1.1.3.1.4 漏极到漏极的保护电路

在共漏极配置中，MOSFET 将通过互连其漏极串联彼此，而其源极端则构成保护电路的输入端与输出端。此类 MOSFET 结构也可称为背对背配置。
优势：
可独立控制 FET。
易于实现安全换向架构。
MOSFET 由单独的栅极驱动器驱动，因此安全度更高。
劣势：
需要一个电荷泵来驱动两个 MOSFET。
设计更复杂。

1.1.3.2 过充/过放保护

过度充电：即电池充电量超过其所允许的最大容量。
过度放电：即电池放电量超过其所允许的最小容量。
放电控制： BMS 的主要功能是将锂电池维持在安全工作区域内。例如，典型的 18650 锂电池的额定欠电压约为 3V。BMS 负责确保电池组中的电池放电电压不会低于 3V。
充电控制：除了放电之外，充电过程也应该由BMS监控。大多数电池在充电不当时往往会损坏或缩短使用寿命。对于锂电池充电器，使用2 级充电器。第一阶段称为恒流（CC），在此期间充电器输出恒定电流对电池充电。当电池接近充满时，将使用称为恒压 (CV)阶段的第二阶段，在此期间以非常低的电流向电池提供恒定电压。BMS应确保充电时的电压和电流不超过导磁限值，以免电池过充或快充。最大允许充电电压和充电电流可以在电池的数据表中找到。

1.1.3.3过流/过温/低温保护

过电流：即电池处于短路状态，或其浪涌导通电流过高。
温度过高及过低：即电池内部温度高于或低于其安全工作温度范围。

1. 过电流保护：
   在充放电过程中，如果工作电流超过了安全值，则采取相应的安全保护措施进行限制。由于电池有不同的过载电流倍率、过载持续时间，所以应按照相应的要求设计相应的过电流保护功能。

2. 过充过放保护
   在电池的SoC为100%或者0%时，保护电池不被损坏而采取的切断电池的充/放电回路。

3. 过温保护：
   由于动力电池是一种化工产品，所以温度过高和过低多都会对电池会产生影响。注意，要将电池温度的门限值和电池升温情况要综合起来考虑。例如，某个电芯升温过快是由于短路。

1.1.4 多级诊断保护

1.1.5 双重故障检测

1.1.6 安全防护需求

• 电池保护

• 热管理
  锂电池组的寿命和效率很大程度上取决于工作温度。与正常室温相比，电池在炎热气候下放电速度往往更快。除此之外，高电流的消耗还会进一步升高温度。这需要电池组中的热系统（主要是油）。该热系统应该只能降低温度，但如果需要的话也应该能够在寒冷气候下升高温度。BMS负责测量单个电池的温度并相应地控制热系统以维持电池组的整体温度。
  还有一个重要的任务就是调节电池温度。如果在较高或较低的温度下运行，电池组的电量消耗会更快。为了防止这种情况，在电池中使用了冷却系统。例如，特斯拉使用液体冷却，其中一根管子穿过电池组以与所有电池接触。然后，水或乙二醇等冷却剂通过管道。BMS 根据电池温度控制冷却剂的温度。除此之外，电池还使用空气或化学物质来维持所需的温度。

• 绝缘监测（漏电保护）
  目的：在于过程中出现漏电或者绝缘失效的状况，同时做出相应的保护措施。早期的绝缘监测多采用对整车各个金属连接位置进行电压测试，由于电气设备存在电容，会使得在应用过程中出现波动，测量精度低等状态，甚至导致绝缘监测误触发的结果。目前多采用基于自适应绝缘算法以提高检测结果的准确性。
  基于自适应绝缘检测算法的保护电路，其的工作流程如下：
  1、在集成运放的采样周期内，对Up、Un、Up+Un分别进行采样或计算，得到3组分压采样值，并计算各组电压的平均采样值。
  2、根据所述各组电压的平均采样值，确定分布电容Cp及Cn的充放电情况。
  3、根据分布电容的充放电状态和3组分压采样值，确定桥臂电压的变化值，若该值超过一定范围，则认为漏电，否者为正常。