BMS的幾個(gè)硬件設(shè)計(jì)關(guān)鍵點(diǎn)

01.前言

電池管理系統(tǒng)(BatteryManagement System，BMS)的作用是智能化管理及維護(hù)各個(gè)電池單元，防止電池出現(xiàn)過(guò)放和過(guò)充，延長(zhǎng)電池的使用壽命;并實(shí)時(shí)監(jiān)控電池的狀態(tài)，使其處于最佳的工作狀態(tài)。在BMS的硬件設(shè)計(jì)過(guò)程中，有一些關(guān)鍵點(diǎn)需要我們重視并深入挖掘，例如溫度檢測(cè)、電壓檢測(cè)、電量均衡、電流檢測(cè)、預(yù)充預(yù)放、喚醒電路的設(shè)計(jì)等等，本文主要針對(duì)“溫度檢測(cè)”、“電壓檢測(cè)”以及“電量均衡”的功能原理和電路設(shè)計(jì)做一個(gè)說(shuō)明。

圖1BMS板實(shí)物圖

02.溫度檢測(cè)

1、功能說(shuō)明

溫度檢測(cè)是BMS硬件的一個(gè)基礎(chǔ)功能，依據(jù)板上的不同器件，可以分為電芯溫度檢測(cè)、均衡電阻溫度檢測(cè)和MOS溫度檢測(cè);依據(jù)電池不同的工作狀態(tài)，可以分為放電、充電和靜置(不放電也不充電)模式下的溫度檢測(cè);依據(jù)溫度閾值，可以分為高溫告警、低溫告警和正常狀態(tài)。

溫度檢測(cè)可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)電池包的工作溫度，例如出現(xiàn)高溫告警時(shí)，立即停止充放電，防止溫度進(jìn)一步升高。同時(shí)上報(bào)云服務(wù)器(若有)，確認(rèn)是否有必要通知相關(guān)人員趕往現(xiàn)場(chǎng)，降低熱失控的概率，即使已經(jīng)起火，也能在一定程度上避免更大的損失。

當(dāng)出現(xiàn)低溫告警時(shí)，BMS會(huì)立即停止充電，而放電還要根據(jù)實(shí)際溫度來(lái)做具體的判斷(一般鋰電池的充電溫度范圍是0~45℃、放電是-20~60℃)。低溫充電的風(fēng)險(xiǎn)是析鋰，嚴(yán)重情況下會(huì)造成起火，主要是負(fù)極在低溫時(shí)的嵌鋰阻抗明顯大于正極脫鋰阻抗，鋰離子無(wú)法及時(shí)嵌入到負(fù)極當(dāng)中，從而引發(fā)析鋰、刺穿隔膜導(dǎo)致短路起火。

2、硬件電路

其實(shí)溫度檢測(cè)的電路非常簡(jiǎn)單，如下圖2所示：搭建一個(gè)分壓電路，使用ADC去采集分壓后的電壓，因?yàn)镹TC器件的阻值會(huì)隨著溫度的升高而降低，因此在不同溫度下可以采集到不同的電壓值，最后通過(guò)公式計(jì)算得到當(dāng)前的溫度值。

NTC阻值和溫度的公式如下：Rt = R *EXP(B*(1/T1-1/T2))

這里T1和T2指的是K度(即開(kāi)爾文溫度)，K度=273.15(絕對(duì)溫度)+攝氏度;其中T2=(273.15+25);Rt 是熱敏電阻在T1溫度下的阻值;R是熱敏電阻在T2常溫下的標(biāo)稱(chēng)阻值;B值是熱敏電阻的重要參數(shù);EXP是e的n次方。

圖2 溫度檢測(cè)電路

3、精度影響和參數(shù)設(shè)計(jì)

溫度采集精度是一個(gè)比較重要的指標(biāo)，從圖2的電路也可以看出，精度主要受以下幾個(gè)方面的影響：上拉電壓源的精度、AFE/MCU的參考電壓源精度、R1電阻的精度、NTC電阻的精度、ADC的采樣精度。上拉電壓源和AFE/MCU的參考電壓源建議使用同一個(gè)，一般為LDO的輸出電壓，紋波較小，常見(jiàn)的是3.3V或者5V;C1可選擇100pF左右;R1電阻選擇1%精度;ADC采樣精度和處理器相關(guān)，精度提高成本也會(huì)有相應(yīng)的增加;下文對(duì)R1和NTC的參數(shù)選擇做一個(gè)詳細(xì)的說(shuō)明：

首先是阻值的選擇，建議R1阻值=NTC常溫下的阻值，優(yōu)點(diǎn)是高低溫的測(cè)量范圍相差不大，如果某些特殊場(chǎng)景對(duì)于高溫或者低溫更加敏感的話，R1可以適當(dāng)調(diào)整;阻值越大功耗越低，但是精度也會(huì)有所下降;對(duì)于高溫精度要求高的可選擇高阻值、對(duì)于低溫精度要求高的可選擇低阻值。

其次是NTC電阻B值的選擇，B值越大，其阻值和溫度的關(guān)系圖斜率越大。當(dāng)溫度低于25℃時(shí)，B值越大，同樣的溫度環(huán)境下NTC阻值越大;當(dāng)溫度高于25℃時(shí)，B值越大，同樣的溫度環(huán)境下NTC阻值越小。對(duì)于溫度精度高，但溫度范圍較窄的場(chǎng)景，可以選擇B值較大的NTC;對(duì)于溫度范圍較寬，特別是高溫測(cè)量有要求的場(chǎng)景，建議選擇B值較小的NTC。

圖3 不同B值下的NTC特性

TI的BQ76952芯片手冊(cè)推薦的是103-AT，B值=3435，相對(duì)較小，因?yàn)殡娦竞蚆OS溫度在極限工況下升溫較快，特別是MOS器件可以升至100℃以上。

圖4 TI-BQ76952NTC選型推薦

圖5 溫度電阻特性圖

03.

電壓檢測(cè)

1、功能說(shuō)明

BMS的電壓檢測(cè)一般可分為B+電壓檢測(cè)、P+電壓檢測(cè)以及單串電芯電壓檢測(cè)，這里主要介紹的是單串電芯的檢測(cè)。

通過(guò)對(duì)單串電芯電壓的檢測(cè)，可以知道是否有電芯處于過(guò)放或者過(guò)充的狀態(tài)，一旦確認(rèn)異常馬上停止充電或者放電，然后再對(duì)電芯進(jìn)行電量均衡，一是保證電池的安全、二是延長(zhǎng)電池的使用壽命。同時(shí)電壓檢測(cè)還能判斷BMS板和各個(gè)電芯之間的連接狀態(tài)，即斷線檢測(cè)，下文將進(jìn)行詳細(xì)的介紹。

2、硬件電路

下圖是AFE芯片BQ76952的官方硬件設(shè)計(jì)圖，可以看到每一串電芯都連接到了VC0~VC16引腳。

這里R2~R21的作用：一是設(shè)置固定的濾波截止頻率，匹配AFE內(nèi)部的濾波采樣電路與時(shí)間，實(shí)現(xiàn)高精度;二是熱插拔防護(hù)。考慮AFE通道的漏電流問(wèn)題，如果漏電流大的話，該串阻一定不能太大，否則會(huì)在此處產(chǎn)生足以影響采樣精度的壓降;但是太小又會(huì)降低防護(hù)能力，可根據(jù)規(guī)格書(shū)進(jìn)行選擇，一般是20R~1KR的推薦值。

圖6 TI-BQ76952官方硬件設(shè)計(jì)圖

3、精度影響

圖7中的r代表電芯的內(nèi)阻和電芯銅排連接阻抗之和;Rc代表連接器的接觸阻抗與外部采樣線束的阻抗之和;Rm代表廠家推薦的采樣通道串聯(lián)電阻;Ri代表AFE內(nèi)部的等效電阻。r一般是幾mΩ，Rc一般是幾十mΩ，Rm是20Ω到1KΩ，Ri是MΩ級(jí)別。

圖7 電壓采樣等效圖

Rc是采樣線阻抗與連接器的接觸電阻之和，它最?lèi)毫拥那闆r是開(kāi)路，但一般AFE都有斷線檢測(cè)機(jī)制，可以識(shí)別出來(lái)此故障;另外一種情況就是連接不良，此時(shí)阻抗可能很大，就會(huì)對(duì)電芯進(jìn)行分壓，進(jìn)而造成電壓采樣結(jié)果出現(xiàn)偏差。

理論上r+Rc+Rm越小、Ri越大、AFE內(nèi)部ADC精度越高，那么電壓的采樣精度也會(huì)越高。

4、斷線檢測(cè)

AFE的電壓檢測(cè)還集成了有一個(gè)重要功能：斷線檢測(cè)。

下面將介紹某款芯片的斷線檢測(cè)機(jī)制：在圖8中，某條采樣線處于斷開(kāi)狀態(tài)，使用紅圈表示，此時(shí)這條采樣線的上下兩個(gè)電芯會(huì)被內(nèi)阻Ri進(jìn)行分壓，也會(huì)采集到一個(gè)“假的”電壓值，但實(shí)際這個(gè)電壓值不能代表電芯的真實(shí)電壓，如果它被當(dāng)做真實(shí)電壓使用，可能會(huì)造成過(guò)充或者過(guò)放。因此，在其內(nèi)部采樣通道上，集成了一個(gè)開(kāi)關(guān)和電阻Rpd，開(kāi)關(guān)S分為奇數(shù)組和偶數(shù)組，同時(shí)只能閉合一組，即S2閉合時(shí)，S1與S3是斷開(kāi)的，反之亦然;AFE去操作兩組開(kāi)關(guān)，去得到兩組采樣值，如果當(dāng)其閉合時(shí)，采到的結(jié)果小于門(mén)限電壓(例如150mV)，則判定為斷線。

圖8 電芯采樣斷線

舉個(gè)例子，假設(shè)電芯電壓為4V，Rm=1K，Rpd=1K(因?yàn)镽i阻值到了MΩ極，所以Ri對(duì)于Rpd的影響微乎其微)，當(dāng)圖中的紅色圓圈處斷線，根據(jù)電阻分壓，當(dāng)S2閉合、S1和S3斷開(kāi)時(shí)，V1-V0=4V，V2-V1≈0V，V3-V2≈8V(因?yàn)閿嗑€的存在，導(dǎo)致幾乎沒(méi)有電流回路，V2和V1電壓基本相同);當(dāng)S2斷開(kāi)、S1和S3閉合時(shí)，V1-V0≈(Rm和Rpd3的分壓)=4V/2=2V，V3-V2≈0V，V2-V1≈12V-2V=10V。當(dāng)S2閉合、S1和S3斷開(kāi)時(shí)，V2-V1≈0V;當(dāng)S2斷開(kāi)、S1和S3閉合時(shí)，V3-V2≈0V。兩種狀態(tài)都出現(xiàn)小于閾值150mV的情況，故判定為兩個(gè)電芯中間處斷線。

圖9 左圖閉合S2斷開(kāi)S1S3、右圖斷開(kāi)S2閉合S1S3

04.均衡電路

1、功能說(shuō)明

BMS的第三個(gè)重要功能是電量均衡，如下圖所示：當(dāng)電池在充電時(shí)，如果其中一節(jié)電芯最先達(dá)到滿充狀態(tài)，那么充電將停止，否則該節(jié)電芯可能會(huì)出現(xiàn)膨脹漏液甚至熱失控，此時(shí)其余串聯(lián)的電芯也不能再被充電，電池總體的能量利用率就會(huì)降低。當(dāng)電池放電時(shí)，如果其中一節(jié)電芯最先達(dá)到過(guò)放狀態(tài)，那么放電將停止，否則該節(jié)電芯會(huì)被過(guò)放損壞且不可恢復(fù)。BMS的均衡功能就是為了解決上述兩個(gè)問(wèn)題。均衡又分為主動(dòng)均衡和被動(dòng)均衡，主動(dòng)均衡可以理解為能量的主動(dòng)搬運(yùn)，例如出現(xiàn)下圖的情況時(shí)，可以將100%的電芯電量轉(zhuǎn)移到90%的電芯中、也可以將50%的電芯電量轉(zhuǎn)移到10%的電芯中。在不計(jì)能量損耗的理想情況下，下左圖的3節(jié)電芯將變成(100+95+95)/3=96.7%、下右圖的3節(jié)電芯將變成(50+10+50)/3=36.7%。被動(dòng)均衡則是被動(dòng)消耗電芯的電量，一般使用電阻，不能實(shí)現(xiàn)電量的轉(zhuǎn)移。主動(dòng)均衡電路復(fù)雜、成本高，被動(dòng)均衡反之，本文主要介紹被動(dòng)均衡。

圖10 電芯電量不均衡

2、硬件電路

AFE一般自帶內(nèi)部均衡，有的和采樣電路共用，有的需要單獨(dú)增加一路，如下圖所示。當(dāng)某節(jié)電芯的電壓過(guò)高，AFE會(huì)導(dǎo)通內(nèi)部MOS，此時(shí)在Rb(均衡電阻)和Rm(采樣電阻)會(huì)形成電流，從而消耗電芯電量。

需要注意的是，如果均衡和采樣共用一路，那么Rm的封裝需要適當(dāng)加大，并且均衡和采樣不能同時(shí)進(jìn)行，一般是交替均衡和采樣。

圖11 采樣和內(nèi)部均衡電路

但芯片自帶的內(nèi)部均衡電流較小，且容易造成芯片發(fā)熱，因此一般使用外置電阻。如下圖所示。對(duì)于AFE而言，是否有外部電阻它是無(wú)感知的，例如B24+的電壓過(guò)高需要消耗其電量，那么AFE內(nèi)部還是將VC8和VC7導(dǎo)通，此時(shí)Q109因?yàn)殡娮鑂488的壓差也導(dǎo)通，電芯的電量由電阻R479消耗。

圖12 外部均衡電路

3、參數(shù)設(shè)計(jì)

對(duì)均衡電阻(R476為例)的選型，需要考慮其阻值、封裝和最大功率，因?yàn)楸粍?dòng)均衡時(shí)電能會(huì)被轉(zhuǎn)換為熱能消耗掉。阻值越小，均衡速度越快、但是發(fā)熱也大，且不能超過(guò)電阻的最大工作功率;封裝越大散熱越快，但占用的PCB面積也越大。

以磷酸鐵鋰電池為例，單節(jié)電芯的最大電壓=3.65V，均衡電阻選擇51R，那么最大功率P=U*U/R=3.65*3.65/51≈0.27W，因此1210封裝以上都滿足(1210是1/3W、1812是1/2W、2010是3/4W)。

對(duì)于三極管(Q108)的選型，需要考慮VCE的耐壓值和IC值。MMBT5551的VCE=160V、IC=600mA、封裝SOT-23，滿足選型的要求。

R475和R478的選型需要注意以下幾點(diǎn)：1、阻值不能太大，否則會(huì)影響VC0~VC16的采樣精度(有電流流過(guò)時(shí)，阻值越大，R475、R478上的電壓就越大);2、阻值不能太小，否則“R475+內(nèi)部MOS+R478”上消耗的熱能 > R476，不符合設(shè)計(jì)預(yù)期;3、R478在均衡時(shí)的壓差需要保證Q108能被完全開(kāi)啟，即VBE>0.6~1V。規(guī)格書(shū)推薦阻值是20~100Ω，考慮到對(duì)外的防護(hù)能力，圖12中選擇的是100Ω電阻，且VBE≈3/(100+45+100)*100=1.22V，滿足要求。

05.小結(jié)

本文主要對(duì)AFE芯片采樣相關(guān)的硬件設(shè)計(jì)做了詳細(xì)的說(shuō)明，包括溫度檢測(cè)、電壓檢測(cè)、斷線檢測(cè)以及電量均衡;下一篇將介紹AFE芯片控制部分的硬件設(shè)計(jì)，例如主充電電路、預(yù)充電路、主放電電路、預(yù)放電路、三端保險(xiǎn)絲保護(hù)電路等。

審核編輯：湯梓紅