I. Função do BMS
Primeiramente, detalharemos suas quatro funções principais.
(1) Percepção e medição A medição é a percepção do estado da bateria
Esta é a função básica do BMS, incluindo a medição e cálculo de alguns parâmetros de índice, incluindo tensão, corrente, temperatura, potência, SOC (estado de carga), SOH (estado de saúde), SOP (estado de energia), SOE ( estado de 能源). SOC pode ser comumente entendido como quanta energia resta na bateria, e seu valor está entre 0-100%, que é o parâmetro mais importante no BMS; SOH refere-se ao estado de saúde da bateria (ou o grau de deterioração da bateria), que é a capacidade real da bateria atual A relação entre a capacidade nominal e a capacidade nominal, quando o SOH é inferior a 80%, a bateria não pode ser usado em um ambiente de energia.
(2) Alarme e proteção
Quando a bateria está em estado anormal, o BMS pode enviar um alarme para a plataforma para proteger a bateria e tomar as medidas correspondentes. Ao mesmo tempo, enviará as informações de alarme anormais para a plataforma de monitoramento e gerenciamento e gerará informações de alarme de diferentes níveis. Por exemplo, quando a temperatura está superaquecida, o BMS desconectará diretamente o circuito de carga e descarga, executará proteção contra superaquecimento e enviará um alarme em segundo plano.
As baterias de lítio emitem alarmes principalmente para os seguintes problemas: sobrecarga: sobretensão única, sobretensão total, sobrecorrente de carregamento; descarga excessiva: subtensão única, subtensão total de tensão, descarga de sobrecorrente; temperatura: a temperatura da célula é alta, a temperatura ambiente é muito alta, a temperatura do MOS é muito alta, a temperatura da bateria é muito baixa, a temperatura ambiente é muito baixa; status: inundação, colisão, inversão, etc.
(3) Gestão equilibrada
A necessidade de uma gestão equilibrada advém da inconsistência na produção e utilização de baterias. Do ponto de vista da produção, cada bateria tem seu próprio ciclo de vida e características. Não existem duas baterias idênticas. Devido à inconsistência de materiais como separadores, cátodos e ânodos, as capacidades de diferentes baterias não podem ser exatamente as mesmas. Por exemplo, cada célula de bateria que forma uma bateria de 48V/20AH tem uma certa gama de diferenças em seus indicadores de consistência, como diferença de voltagem e resistência interna. Do ponto de vista do uso, no processo de carga e descarga da bateria, o processo de reação eletroquímica nunca pode ser consistente. Mesmo que seja a mesma bateria, a capacidade de carga e descarga da bateria será diferente devido a diferentes temperaturas e impactos, resultando em capacidade celular inconsistente. Portanto, a bateria precisa de equalização passiva e equalização ativa. Ou seja, definir um par de limites para início e fim da equalização: por exemplo, em um grupo de baterias, quando a diferença entre o valor extremo da tensão individual e o valor médio da tensão desse grupo atinge 50mV, a equalização é iniciado, e a equalização é finalizada em 5mV.
(4) Comunicação e posicionamento
O BMS possui um módulo de comunicação separado, que é usado para transmissão de dados e posicionamento da bateria, respectivamente, e pode transmitir dados relevantes detectados e medidos para a plataforma de gerenciamento de operação em tempo real.
II. Princípio de funcionamento da proteção BMS
BMS inclui controle IC, interruptor MOS, fusível Fusível, termistor NTC, supressor de tensão transiente TVS, capacitor e memória, etc. Sua forma específica é mostrada na figura:

Na figura acima, o IC de controle controla a chave MOS para ligar e desligar o circuito para proteger o circuito, e o FUSE realiza a proteção secundária com base nisso; TH é a detecção de temperatura e o interior é um NTC de 10K; O NTC realiza principalmente a detecção de temperatura; TVS Principalmente para suprimir o surto.
(1) Circuito de proteção primário
IC de controle O IC de controle na figura acima é responsável por monitorar a tensão da bateria e a corrente do loop e controlar as chaves de dois MOSs. O IC de controle pode ser dividido em AFE e MCU: AFE (Active Front End, chip de front-end analógico) é o chip de amostragem da bateria, que é usado principalmente para coletar a tensão e a corrente da célula da bateria. MCU ((unidade microcontroladora, chip microcontrolador) calcula e controla principalmente as informações coletadas pelo AFE.
A relação entre os dois é mostrada na figura:

1. AFE
AFE é geralmente um chip de 6 pinos, CO, DO, VDD, VSS, DP e VM, a introdução é a seguinte:
CO: saída de carga (controle de carga);
DO: saída de descarga (controle de descarga);
VDD: a tensão de alimentação, também conhecida como tensão de saída, é o local de maior tensão;
VSS: tensão de referência, que é o local de menor tensão;
VM: Monitore o valor da tensão no MOS.
Quando BMS é normal, CO, DO, VDD são de alto nível, VSS, VM são de baixo nível, quando qualquer parâmetro de VDD, VSS, VM muda, o nível de CO ou terminal DO mudará.
2. UCM
MCU refere-se a uma unidade de microcontrole, também conhecida como microcomputador de chip único, que possui as vantagens de alto desempenho, baixo consumo de energia, programável e alta flexibilidade. É amplamente utilizado em eletrônicos de consumo, automóveis, indústria, comunicações, computação, eletrodomésticos, equipamentos médicos e outros campos. Em um BMS, o MCU atua como o cérebro, capturando todos os dados dos sensores por meio de seus periféricos e processando os dados para tomar decisões apropriadas com base no perfil da bateria. O chip MCU processa as informações coletadas pelo chip AFE e desempenha o papel de cálculo (como SOC, SOP etc.) desempenho do chip MCU. AFE e MCU realizam a proteção do circuito controlando o MOS.
3.MOS
MOS é a abreviação de Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor, referido como transistor de efeito de campo, que atua como um interruptor no circuito e controla a ativação e desativação do circuito de carga e do circuito de descarga, respectivamente. Sua resistência é muito pequena, então sua resistência tem pouco efeito no desempenho do circuito. Em condições normais, a corrente de consumo do circuito de proteção é nível μA, geralmente inferior a 7μA.
4. Realização da proteção primária do BMS: ligação entre o IC de controle e o MOS
Se a bateria de lítio estiver sobrecarregada, descarregada ou sobrecorrente, causará reações químicas dentro da bateria, o que afetará seriamente o desempenho e a vida útil da bateria e poderá gerar uma grande quantidade de gás, o que aumentará rapidamente a pressão interna da bateria e, eventualmente, levar à liberação de pressão. A válvula abre e o eletrólito é ejetado para causar fuga térmica.
Quando ocorrer a situação acima, o BMS ativará o mecanismo de proteção e executará da seguinte forma:

(1) Estado normal
No estado normal, ambos os pinos "CO" e "DO" no nível alto de saída do circuito, ambos os MOSs estão em estado de condução e a bateria pode ser carregada e descarregada livremente.
(2) Proteção contra sobrecarga
Ao carregar, o AFE sempre monitorará a tensão entre o pino 5 VDD e o pino 6 VSS. Quando esta tensão for maior que a tensão de corte de sobrecarga, o MCU controlará o pino 3 CO (o pino CO muda de nível alto para nível baixo) Ping) para fechar o tubo MOS M2, neste momento o circuito de carga é cortado e a bateria só pode ser descarregada. Neste momento, devido à existência do diodo de corpo V2 do tubo M2, a bateria pode descarregar a carga externa através deste diodo.
(3) Proteção contra descarga excessiva
Ao descarregar, o AFE sempre monitora a tensão entre o pino 5 VDD e o pino 6 VSS. Quando esta tensão é menor do que a tensão de corte de descarga excessiva, o MCU passará pelo pino 1 DO (o pino DO muda de nível alto para nível baixo) Desligue o tubo MOS M1, então o circuito de descarga é cortado e a bateria só pode ser cobrado. Neste momento, devido à existência do diodo V1 do corpo do transistor MOS M1, o carregador pode carregar a bateria através do diodo.
(4) Proteção contra sobrecorrente
Durante o processo de descarga normal da bateria, quando a corrente de descarga passa por dois MOSs em série, uma tensão será gerada em ambas as extremidades devido à resistência do MOS. O valor de tensão U = 2IR e R é a resistência de um único MOS. O pino AFE 2 VM monitorará o valor da tensão o tempo todo. Quando a corrente do loop é tão grande que a tensão U é maior que o limite de sobrecorrente, o MCU desligará o transistor MOS M1 através do primeiro pino DO (o pino DO muda de nível alto para nível baixo) e o loop de descarga é cortado desligado, de modo que a corrente no loop seja zero. , para desempenhar o papel de proteção de sobrecorrente.
(5) Proteção contra curto-circuito
Semelhante ao princípio de funcionamento da proteção de sobrecorrente, quando a corrente do loop é tão grande que a tensão U atinge instantaneamente o limite de curto-circuito, o MCU desligará o tubo MOS M1 através do primeiro pino DO (o pino DO muda de nível alto para nível baixo) e corte O circuito de descarga atua como proteção contra curto-circuito. O tempo de atraso da proteção contra curto-circuito é muito curto, geralmente inferior a 7 microssegundos.

O acima pode ser brevemente descrito como:

estado do circuito	MOS1	MOS 2	Status de carga e descarga
estado normal	SOBRE	SOBRE	Recarregável e descartável
proteção contra sobrecarga	SOBRE	DESLIGADO	Descartável e não recarregável
proteção contra descarga excessiva	DESLIGADO	SOBRE	recarregável não descartável
Sobre proteção atual	DESLIGADO	SOBRE	Quando a sobrecorrente é liberada, ela pode ser carregada e descarregada
Proteção contra curto-circuito	DESLIGADO	SOBRE	Quando o curto-circuito é liberado, ele pode ser carregado e descarregado

(2) Circuito de proteção secundária: fusível de três terminais Fusível
Por razões de segurança, um mecanismo de proteção secundária ainda precisa ser adicionado. No estágio atual, o REP (Resistor Embedded Protector, protetor de resistência embutido) é altamente aplicado, enquanto o fusível de três terminais Fuse é mais econômico em comparação.
Quando a corrente é muito grande, o fusível será queimado no mesmo princípio do fusível comum; e quando o MOS estiver em um estado operacional anormal, o controle principal queimará automaticamente o fusível de três terminais. As principais vantagens deste mecanismo de proteção de segurança são baixo consumo de energia, velocidade de resposta rápida e bom efeito de proteção. Nesta fase, tem alta aplicabilidade e tem sido amplamente utilizado em veículos elétricos, celulares e outros equipamentos.

Circuito de proteção de três níveis: termistor NTC e TVS1.NTC O termistor, que é extremamente sensível ao calor, é um tipo de resistor variável, principalmente dividido em PTC e NTC. PTC (coeficiente de temperatura positiva, termistor de coeficiente de temperatura positiva), quanto maior a temperatura, maior a resistência, usado principalmente em assassinos de mosquitos, aquecedores e outros produtos. NTC (coeficiente de temperatura negativa, termistor de coeficiente de temperatura negativa) é o oposto do PTC. Quanto maior a temperatura, menor a resistência. É usado principalmente como um sensor de temperatura de resistência e um dispositivo limitador de corrente.

O BMS de baterias de lítio geralmente usa NTC. Em comparação, este produto consome menos energia, possui alta precisão e resposta rápida e possui três funções principais.

(1) Medição de temperatura
Usando as características deste resistor, as três categorias de temperatura a seguir podem ser medidas: Temperatura da célula: Coloque o termistor NTC entre as células para medir a temperatura da célula, e o número de células cobertas por cada NTC precisa ser considerado . Temperatura de energia: Coloque o termistor NTC entre o MOS para medir a temperatura de energia. É necessário garantir que o NTC esteja em contato próximo com o dispositivo MOS durante a instalação. Temperatura ambiente: coloque o termistor NTC na placa BMS para medir a temperatura ambiente, e o local de instalação deve estar longe do dispositivo de energia.
(2) Compensação de temperatura
A resistência da maioria dos componentes aumentará com o aumento da temperatura. Neste momento, o NTC precisa ser usado para compensar o erro causado pela temperatura.
(3) Suprimir a corrente de irrupção
Surto (surto elétrico), também conhecido como surto, é o valor de pico momentâneo além do valor estável, incluindo surto de tensão e surto de corrente. Quando o circuito eletrônico é ligado, ele gera um grande surto de corrente, o que pode facilmente causar danos aos componentes. O uso do NTC pode evitar que isso aconteça e garantir o funcionamento normal do circuito. Para proteção contra surtos, TVS é necessário.
2. Supressor de tensão transiente TVS
TVS (Supressores de tensão transiente) são supressores de tensão transiente, que respondem rapidamente e são adequados para proteção de portas. A implementação específica é a seguinte: