锂电课堂 | 锂电池BMS保护机制及工作原理

锂电池材料存在一定的特性，使其不能被过充、过放、过流、短路及超高低温充放电，因此锂电池组总会有一块精致的BMS 相伴，BMS指的是Battery Management System 电池管理系统，也叫保护板。

一、BMS功能

首先，我们将详述其四个主要功能。

（一）感知和测量测量即感知电池的状态

这是BMS基本功能，包括一些指标参数的计量和计算，其中有电压、电流、温度、电量、SOC（state of charge）、SOH（state of health）、SOP（state of power）、SOE（state of energy）。

SOC可以通俗理解为电池还剩下多少电量，其数值在0-100%之间，这是BMS中最重要的参数；SOH指电池的健康状态（或电池劣化程度），是当前电池的实际容量与额定容量的比值，当SOH低于80%时电池便不可用于动力环境。

（二）告警和保护

在电池出现异常状态时，BMS可以向平台进行告警并进行保护电池并采取相应的处理措施，同时，会将异常告警信息发送至监控管理平台并生成不同等级的告警信息。

如，温度过热时，BMS会直接断开充放电回路，进行过热保护，并向后台发出告警。

锂电池主要会针对以下问题发出告警：

过充：单体过压、总电压过压、充电过流；

过放：单体欠压、总电压欠压、放电过流；

温度：电芯温度过高、环境温度过高、MOS温度过高、电芯温度过低、环境温度过低；

状态：水浸、碰撞、倒置等。

（三）均衡管理

均衡管理的必要性来自于电池的生产和使用的不一致性。

从生产角度看，每块电池都有自己的生命周期和特性，没有一模一样的两块电池，由于隔膜、阴极、阳极等材料的不一致，不同电池的容量也不能完全一致。如组成一个48V/20AH电池组的各电芯，其压差、内阻等的一致性指标，均有一定范围内的差异。

从使用角度来看，在电池充放电的过程中，电化学反应的过程中是永远不可能一致的。即使是同一块电池包，也会因为温度、磕碰度不同造成电池充放量不同，从而导致电芯容量不一致。

因此，电池就需要均被动均衡和主动均衡。即设定一对启动和结束均衡的阈值：比如，一组电池中，单体电压极值与这组电压平均值的差值达到50mV时启动均衡，5mV结束均衡。

（四）通信和定位

BMS有单独的通信模块，作用分别是数据传输和电池定位，能够将感知和测量到的相关数据实时传递到运营管理平台。

二、BMS保护工作原理

BMS包括控制IC、MOS开关、保险丝Fuse、NTC热敏电阻、TVS瞬态电压抑制器、电容及存储器等。其具体形式如图所示：

上图中，控制IC通过控制MOS开关实现电路的导通和关闭，以保护电路，FUSE在此基础上实现二级保护；TH为温度检测，内部是一个10K NTC；NTC主要实现温度检测；TVS主要是抑制浪涌。

（一）一级保护电路

控制IC上图的控制IC负责监测电池电压与回路电流，并控制两个MOS的开关。控制IC具体可分为AFE和MCU：

AFE（Active Front End，模拟前端芯片）即电池的采样芯片，主要用来采集电芯电压、电流等。

MCU（(Microcontroller Unit，微控制器芯片）主要对AFE采集来的信息进行计算和控制。

二者的关系如图所示：

1.AFE

AFE一般是6脚芯片，CO、DO、VDD、VSS、DP和VM，简介如下：

CO：charge output（充电控制）；

DO：discharge output（放电控制）；

VDD：电源电压，又叫输出电压，是电压最高的地方；

VSS：基准电压，是电压最低的地方；

VM：监测MOS两端的电压值。

在BMS正常的情况下，CO、DO、VDD为高电平， VSS、VM为低电平，当VDD、VSS、VM任何一项参数变换时，CO或DO端的电平将发生变化。

2. MCU

MCU指的是微控制单元，又称单片机，具有性能高、功耗低、可编程、灵活度高等优点。被广泛应用于消费电子、汽车、工业、通信、计算、家电、医疗设备等领域。

在BMS中，MCU相当于大脑，通过其外围设备从传感器捕获所有数据，并根据电池组的配置文件处理数据以做出适当的决策。

MCU芯片处理AFE芯片采集的信息，起到计算（比如SOC、SOP等）和控制（MOS关断、导通等）的作用，因此电池管理系统对MCU芯片的性能要求较高。AFE和MCU通过控制MOS来实现对电路的保护。

3.MOS

MOS是Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor的缩写，简称场效应管，在电路中起开关作用，分别控制着充电回路与放电回路的导通与关断。

其导通阻抗很小，因此其导通电阻对电路的性能影响很小。正常状态下保护电路的消耗电流为μA级，通常小于7μA。

4.BMS一级保护的实现：控制IC与MOS联动

锂电池如果过充、过放或过流，将会导致电池内部发生化学副反应,从而严重影响电池的性能与使用寿命，并可能产生大量气体，使电池内部压力迅速增大，最后导致泄压阀打开，电解液喷出发生热失控。

在出现上述情况时，BMS将开启保护机制，执行如下：

以上内容可以简述为：

（二）二级保护电路：三端熔丝Fuse

出于安全性考虑，仍需增加二级保护机制。当前阶段，REP（Resistor Embedded Protector，内置电阻保护器）的应用度较高，而三端熔丝Fuse相比之下性价比更高。

当电流过大时，Fuse和普通熔丝原理相同，会被熔断；而MOS运行状态异常时，主控控制三端熔丝将主动熔断。

这款安全保护机制优点主要在功耗小、反应速度快、保护效果好，现阶段应用性极高，已经在电动车、手机等设备上被广泛使用。

（三）三级保护电路：NTC和TVS

1.NTC热敏电阻

热敏电阻，顾名思义其对热度极度敏感，是可变电阻的一种，主要分为PTC和NTC两种。

PTC（Positive Temperature Coefficient，正温度系数热敏电阻器），温度越高，电阻越大，主要用于灭蚊器、暖风机之类产品。

NTC（Negative Temperature Coefficient，负温度系数热敏电阻器）与PTC相反，温度越高电阻越低，主要用作电阻温度传感器和限流装置。

锂电池的BMS一般使用的是NTC，相较之下该产品耗电量较小，精准度高且反应迅速，主要有三大作用。

（1）温度测量

利用该电阻的特性，可以测量以下三个温度范畴：

电芯温度：将NTC热敏电阻放置在电芯之间，实现电芯温度的测量，需要考虑每个NTC所覆盖的电芯数量情况。

功率温度：将NTC热敏电阻放置在MOS之间，实现功率温度的测量，需要在安装时确保NTC要与MOS器件紧密接触。

环境温度：将NTC热敏电阻放置在BMS板上，实现环境温度的测量，要求安装位置远离功率器件。

（2）温度补偿

大部分元器件的电阻都会随着温度上升而增大，此时需要用NTC进行补偿，抵消温度造成的误差情况。

（3）抑制浪涌电流

浪涌（electrical surge），也叫突波，即瞬间出现超出稳定值的峰值，包括浪涌电压和浪涌电流。

电子电路在开机时会产生较大的浪涌电流，容易对元器件造成损坏，使用NTC可以防止这种情况的产生，保证电路正常工作。而对于浪涌的保护就需要用到TVS。

2.TVS瞬态电压抑制器

TVS（Transient Voltage Suppressors）即瞬态电压抑制器，它响应速度快，适合用于做端口防护功能。具体执行如下：

当电路出现异常高电压时，TVS会迅速调整电阻状态，将瞬时电流释放到地，保护后级电路免遭损坏；异常电压情况结束后，TVS会复原。

三、BMS关键器件的国产化

目前国内BMS生产制造过程中极度缺乏相关核心芯片的研究，尤其是AFE芯片。宁德时代董事长曾毓群曾表示，宁德时代在电池生产过程中没有直接涉及美国的技术、材料或是设备，现在唯一依赖美国的就是BMS里的芯片。

（一）AFE模拟前端芯片

根据市场份额来看，仅AFE芯片的生产厂家来看，美国占据全球70%的市场份额，其中亚德诺半导体和德州仪器两家就已经占据了60%左右，而国产芯片目前上升较快的厂商为中颖电子、芯海科技和思瑞浦。

（二）MCU芯片

针对MCU芯片来看，市场份额主要由欧美、日本和台湾地区企业占据，仅NXP（荷兰恩智浦）、Microchip（美国微芯科技）、ST（意法半导体）、infineon(德国英飞凌)就占据超80%的份额，中国大陆企业所占份额极小，仅兆易创新和极海半导体成长较快。

四、BMS问题及优化方向

BMS不只是BMS研发厂家的职责，它是一个系统工程，需要电芯厂家、BMS厂家、PACK厂家，尤其是换电运营商的共同参与。

（一）换电运营商

BMS作为锂电池的管理控制系统，实质是将基于用户需求的运营经验，进行细化、总结、固化到BMS中。而换电运营商其最接近用户，最懂用户的需求，因此，换电运营商是BMS的主导者。

（二）BMS厂家

BMS厂家最懂电子电路，它基于电芯性能，结合换电运营商需求，进行BMS架构搭建和开发，起着承上启下的作用。但其弱点也非常突出，主要表现在对电芯的理解深度还不够理想，导致管控策略和电芯实际存在差异。

（三）电芯厂家

电芯厂家最懂化学，这其实是整个BMS管控的基础所在，因为BMS的一切管控都是基于电芯和电池组进行的。但目前，电芯厂家对电子电路的理解还需要提升，比如哪种信息采集方式可以采集到最准确的电芯信息。

（四）PACK厂家

PACK厂家是将电芯与BMS组装成电池组，其对电芯的排列、BMS位置的摆放和组装的加工工艺等都影响着BMS功能实现的程度和准确性。PACK厂家需要根据换电运营商的要求，从产品质量出发，以最后把关的视角对电芯和BMS厂家提出相关要求。

因此，BMS保护逻辑的设计是运营经验的积累和固化，而保护逻辑的有效落地需要以电芯为基础的电路设计以及产品性价比的提升。电芯厂家、BMS厂家、PACK厂家要在换电运营商的主导下，既做好本职专业，又做好相互协同，形成BMS产品系统集成的合力，而这将是今后BMS发展和问题解决的必由之路。