I. Функция BMS
Сначала мы подробно остановимся на четырех основных функциях.
(1) Восприятие и измерение Измерение — это восприятие состояния батареи.
Это основная функция BMS, включающая измерение и расчет некоторых индексных параметров, включая напряжение, ток, температуру, мощность, SOC (состояние заряда), SOH (состояние работоспособности), SOP (состояние питания), SOE ( состояние 能源). SOC обычно можно понимать как количество энергии, оставшейся в батарее, и его значение находится в диапазоне от 0 до 100%, что является наиболее важным параметром в BMS; SOH относится к состоянию батареи (или степени износа батареи), которое представляет собой фактическую емкость текущей батареи Отношение номинальной емкости к номинальной емкости, когда SOH ниже 80%, батарея нельзя использовать в силовой среде.
(2) Сигнализация и защита
Когда батарея находится в ненормальном состоянии, BMS может отправить сигнал тревоги на платформу, чтобы защитить батарею и принять соответствующие меры. В то же время он будет отправлять информацию об аномальных сигналах тревоги на платформу мониторинга и управления и генерировать информацию о сигналах тревоги различных уровней. Например, при перегреве система BMS напрямую отключит цепь зарядки и разрядки, выполнит защиту от перегрева и отправит сигнал тревоги в фоновом режиме.
Литиевые батареи в основном выдают сигналы тревоги при следующих проблемах: перезарядка: однократное перенапряжение, перенапряжение по общему напряжению, перегрузка по току зарядки; переразряд: единичное пониженное напряжение, общее пониженное напряжение, перегрузка по току разряда; температура: температура элемента слишком высокая, температура окружающей среды слишком высокая, температура MOS слишком высокая, температура батареи слишком низкая, температура окружающей среды слишком низкая; статус: затопление, столкновение, инверсия и т. д.
(3) Сбалансированное управление
Необходимость сбалансированного управления исходит из несогласованности производства и использования аккумуляторов. С точки зрения производства каждая батарея имеет свой жизненный цикл и характеристики. Не бывает двух одинаковых аккумуляторов. Из-за несоответствия материалов, таких как сепараторы, катоды и аноды, емкости разных аккумуляторов не могут быть абсолютно одинаковыми. Например, каждый элемент батареи, образующий аккумуляторный блок 48 В/20 Ач, имеет определенный диапазон различий в показателях согласованности, таких как разница напряжений и внутреннее сопротивление. С точки зрения использования, в процессе зарядки и разрядки аккумулятора процесс электрохимической реакции никогда не может быть последовательным. Даже если это один и тот же аккумулятор, емкость заряда и разряда аккумулятора будет разной из-за разной температуры и воздействия, что приводит к непостоянной емкости ячеек. Поэтому батарея нуждается как в пассивной, так и в активной эквализации. То есть задать пару порогов начала и окончания выравнивания: например, в группе аккумуляторов, когда разница между экстремальным значением отдельного напряжения и средним значением напряжения этой группы достигает 50 мВ, выравнивание происходит начинается, а выравнивание заканчивается на 5мВ.
(4) Связь и позиционирование
BMS имеет отдельный модуль связи, который используется для передачи данных и позиционирования батареи соответственно и может передавать соответствующие данные, полученные и измеренные, на платформу управления работой в режиме реального времени.
II. Принцип работы защиты BMS
BMS включает в себя микросхему управления, МОП-переключатель, плавкий предохранитель, термистор NTC, ограничитель переходного напряжения TVS, конденсатор и память и т. д. Его конкретная форма показана на рисунке:

На приведенном выше рисунке управляющая ИС управляет переключателем MOS для включения и выключения цепи для защиты цепи, а FUSE на этой основе реализует вторичную защиту; TH - это определение температуры, а внутри - 10K NTC; NTC в основном осуществляет определение температуры; TVS В основном для подавления всплеска.
(1) Первичная схема защиты.
ИС управления. ИС управления на приведенном выше рисунке отвечает за контроль напряжения батареи и тока контура, а также за управление переключателями двух МОП-транзисторов. ИС управления можно разделить на AFE и MCU: AFE (Active Front End, аналоговая микросхема внешнего интерфейса) — это микросхема выборки батареи, которая в основном используется для сбора данных о напряжении и токе аккумуляторной батареи. MCU ((Microcontroller Unit, микросхема микроконтроллера) в основном вычисляет и контролирует информацию, собираемую AFE.
Отношения между ними показаны на рисунке:

1. AFE
AFE обычно представляет собой 6-контактный чип, CO, DO, VDD, VSS, DP и VM, введение выглядит следующим образом:
CO: выход заряда (управление зарядом);
DO: выход разрядки (управление разрядкой);
VDD: напряжение источника питания, также известное как выходное напряжение, является местом с самым высоким напряжением;
VSS: опорное напряжение, то есть место с самым низким напряжением;
VM: Контролируйте значение напряжения на MOS.
Когда BMS в норме, CO, DO, VDD имеют высокий уровень, VSS, VM низкий уровень, при изменении любого параметра VDD, VSS, VM уровень CO или DO терминала изменится.
2. КВМ
MCU относится к блоку микроуправления, также известному как однокристальный микрокомпьютер, который обладает преимуществами высокой производительности, низкого энергопотребления, программируемости и высокой гибкости. Он широко используется в бытовой электронике, автомобилях, промышленности, связи, вычислительной технике, бытовой технике, медицинском оборудовании и других областях. В BMS MCU действует как мозг, собирая все данные с датчиков через свои периферийные устройства и обрабатывая данные для принятия соответствующих решений на основе профиля аккумуляторной батареи. Микросхема MCU обрабатывает информацию, собранную микросхемой AFE, и играет роль расчета (например, SOC, SOP и т. д.) и управления (выключение, включение MOS и т. д.), поэтому система управления батареями предъявляет высокие требования к производительность микроконтроллера. AFE и MCU реализуют защиту схемы, управляя MOS.
3.MOS
MOS - это аббревиатура металл-оксид-полупроводниковый полевой транзистор, называемый полевым транзистором, который действует как переключатель в цепи и управляет включением и выключением цепи зарядки и цепи разряда соответственно. Его сопротивление во включенном состоянии очень мало, поэтому его сопротивление во включенном состоянии мало влияет на работу схемы. В нормальных условиях ток потребления схемы защиты составляет мкА, обычно менее 7 мкА.
4. Реализация первичной защиты BMS: связь между управляющей ИС и МОП
Если литиевая батарея перезаряжена, переразряжена или перегружена током, это вызовет побочные химические реакции внутри батареи, что серьезно повлияет на производительность и срок службы батареи, а также может привести к образованию большого количества газа, который быстро повысит внутреннее давление. аккумулятора и в конечном итоге привести к сбросу давления. Клапан открывается, и электролит выбрасывается, вызывая тепловой разгон.
Когда возникает описанная выше ситуация, BMS активирует механизм защиты и выполняет следующие действия:

(1) Нормальное состояние
В нормальном состоянии оба контакта «CO» и «DO» в цепи выводят высокий уровень, оба МОП находятся в состоянии проводимости, и аккумулятор можно свободно заряжать и разряжать.
(2) Защита от перезарядки
При зарядке AFE всегда контролирует напряжение между контактами 5 VDD и 6 VSS. Когда это напряжение больше, чем напряжение отключения перезарядки, MCU будет управлять контактом 3 CO (контакт CO переключается с высокого уровня на низкий) Ping), чтобы закрыть MOS-трубку M2, в это время цепь зарядки отключается, и аккумулятор можно только разрядить. В это время, благодаря наличию внутреннего диода V2 трубки М2, батарея может разряжать внешнюю нагрузку через этот диод.
(3) Защита от переразряда
При разрядке AFE всегда контролирует напряжение между контактами 5 VDD и 6 VSS. Когда это напряжение ниже, чем напряжение отсечки при переразрядке, микроконтроллер пропускает вывод 1 DO (вывод DO переключается с высокого уровня на низкий уровень). можно только зарядить. В это время, благодаря наличию внутреннего диода V1 МОП-транзистора M1, зарядное устройство может заряжать аккумулятор через диод.
(4) Защита от перегрузки по току
Во время нормального процесса разрядки батареи, когда разрядный ток проходит через два последовательно соединенных МОП-транзистора, на обоих концах будет генерироваться напряжение из-за сопротивления МОП-транзистора во включенном состоянии. Значение напряжения U=2IR, а R - сопротивление одиночного МОП-транзистора в открытом состоянии. AFE контакт 2 VM будет постоянно контролировать значение напряжения. Когда ток контура настолько велик, что напряжение U превышает пороговое значение перегрузки по току, микроконтроллер отключает МОП-транзистор M1 через первый вывод DO (вывод DO переключается с высокого уровня на низкий), и разрядная петля прерывается. выключен, так что ток в петле равен нулю. , чтобы играть роль защиты от перегрузки по току.
(5) Защита от короткого замыкания
Подобно принципу работы защиты от перегрузки по току, когда ток контура настолько велик, что напряжение U мгновенно достигает порога короткого замыкания, микроконтроллер выключает МОП-лампу M1 через первый вывод DO (вывод DO переходит с высокого уровня на низкий уровень) и отключение Цепь разряда действует как защита от короткого замыкания. Время задержки защиты от короткого замыкания очень короткое, обычно менее 7 микросекунд.

Вышеизложенное можно кратко описать так:

Состояние цепи	МОС1	МОС 2	Состояние зарядки и разрядки
Нормальный статус	НА	НА	Перезаряжаемые и разряжаемые
Защита от перезарядки	НА	ВЫКЛЮЧЕННЫЙ	Разряжаемые и не перезаряжаемые
Защита от переразряда	ВЫКЛЮЧЕННЫЙ	НА	перезаряжаемый неразряжаемый
Защита от сверхтока	ВЫКЛЮЧЕННЫЙ	НА	Когда перегрузка по току снимается, его можно заряжать и разряжать
Защита от короткого замыкания	ВЫКЛЮЧЕННЫЙ	НА	Когда короткое замыкание отпущено, его можно заряжать и разряжать

(2) Вторичная цепь защиты: плавкий предохранитель с тремя контактами.
По соображениям безопасности необходимо добавить механизм вторичной защиты. На текущем этапе широко применяется REP (Resistor Embedded Protector, встроенная защита сопротивления), в то время как трехконтактный предохранитель Fuse более экономичен по сравнению с ним.
Когда ток слишком велик, предохранитель перегорает по тому же принципу, что и обычный предохранитель; и когда MOS находится в ненормальном рабочем состоянии, главный элемент управления автоматически перегорает трехконтактный предохранитель. Основными преимуществами этого механизма защиты безопасности являются низкое энергопотребление, высокая скорость отклика и хороший защитный эффект. На данном этапе он имеет высокую применимость и широко используется в электромобилях, мобильных телефонах и другом оборудовании.

Трехуровневая схема защиты: термистор NTC и TVS1.NTC Термистор, который чрезвычайно чувствителен к теплу, представляет собой разновидность переменного резистора, в основном разделенного на PTC и NTC. PTC (положительный температурный коэффициент, термистор с положительным температурным коэффициентом), чем выше температура, тем больше сопротивление, в основном используется в средствах от комаров, обогревателях и других продуктах. NTC (отрицательный температурный коэффициент, термистор с отрицательным температурным коэффициентом) является противоположностью PTC. Чем выше температура, тем меньше сопротивление. Он в основном используется в качестве резистивного датчика температуры и устройства ограничения тока.

BMS литиевых батарей обычно использует NTC. Для сравнения, этот продукт потребляет меньше энергии, обладает высокой точностью и быстрым откликом и выполняет три основные функции.

(1) Измерение температуры
Используя характеристики этого резистора, можно измерять следующие три категории температуры: Температура элемента: Поместите термистор NTC между элементами для измерения температуры элемента, и необходимо учитывать количество элементов, охватываемых каждым NTC. . Температура питания: поместите термистор NTC между MOS для измерения температуры питания. Необходимо убедиться, что NTC находится в тесном контакте с устройством MOS во время установки. Температура окружающей среды: поместите термистор NTC на плату BMS для измерения температуры окружающей среды, а место установки должно находиться вдали от силового устройства.
(2) Температурная компенсация
Сопротивление большинства компонентов увеличивается с повышением температуры. В настоящее время необходимо использовать NTC для компенсации ошибки, вызванной температурой.
(3) Подавление пускового тока.
Скачок (электрический скачок), также известный как скачок напряжения, представляет собой мгновенное пиковое значение, выходящее за пределы стабильного значения, включая импульсное напряжение и импульсный ток. Когда электронная схема включена, она генерирует большой импульсный ток, который легко может повредить компоненты. Использование NTC может предотвратить это и обеспечить нормальную работу схемы. Для защиты от перенапряжения нужен TVS.
2. Подавитель переходных напряжений TVS
TVS (подавители переходных напряжений) — это подавители переходных напряжений, которые быстро реагируют и подходят для защиты портов. Конкретная реализация выглядит следующим образом: