锂电池管理系统BMS硬件保护系统需求分析

锂电池管理系统BMS硬件保护系统需求分析

俞燕[1]，宋文[2]

杭州优恩捷科技有限公司，浙江省杭州市，310000

摘要：随着我国科学水平的不断提升，锂电池逐渐被广泛应用于人们当前的生产和生活当中。锂电池管理系统BMS硬件保护系统架构由电池采样模组、电流检测模组、温度监控模组、通信模组、报警模组、负载/充电器检测模组、充/放电驱动模组以及数字控制硬核构成。基于此，本文首先分析了BMS电池管理系统需具备以下特性，最后分析了硬件保护系统需求，希望通过本文研究，能够为相关人士提供参考，最终能够有效避免各类系统故障及风险。

关键词：锂电池管理系统；BMS；硬件保护；需求

引言

得益于动力锂电电芯及锂电池管理系统BMS技术日趋成熟，成本持续下降、欧美电动工具市场锂电加速替代镍镉电池等有利因素，锂电电动工具及吸尘器市场得到快速发展。从图1无绳电动工具及吸尘器出货趋势中可以看出，随着无绳电动工具及吸尘器出货量增加，锂电无绳电动工具及吸尘器出货量占比大幅增加，至2020年锂电产品会占据90%的无绳电动工具及吸尘器出货量，年复合增长率稳定在30%左右。因此，对于锂电池管理系统（BMS）的需求也会持续增长。

图1无绳电动工具及吸尘器出货趋势

一、BMS电池管理系统需具备以下特性

目前动力锂电市场快速增长，相应配套的保护芯片的要求也随之提高，可靠的BMS电池管理系统需具备以下特性。

（1）高精度的过/欠电压检测：由于锂电充放电特性，系统必须精确检测过/欠压，以避免安全事故或锂电池损坏，通常精度要求在0.5%以内。（2）多段高精度充/放电电流检测：在充/放电阶段对充放电电流进行高精度检测，针对不同电流等级设定不同的保护策略，确保系统安全。（3）低系统功耗：BMS电池管理系统接入电池包后就会持续工作，低功耗设计保证电池包在存储阶段只消耗微不足道的电流，以避免存储过程中造成的电池过放问题。（4）空间及外围元件需求：尽可能小的封装和最少的外部元件需求使系统易于整合至空间有限的电池包里。对于BMS电池管理系统芯片，目前除了部分国外公司外，国内只有少数几家公司有相应的方案，且产品可靠性较差。因此，需要可靠的BMS硬件保护系统架构填补这方面的空白。

二、硬件保护系统需求分析

典型的BMS保护系统如图2所示，系统主要由电池包、RC滤波网络、BMS芯片、环温检测、电流检测、充放电控制以及负载几部分构成。电池包是由根据系统功率需求将多个电芯串并连接构成的电池组，系统工作时需要电池包向负载提供能量，在电池包电量不足时需要充电器向电池包进行充电。电池包中充放电控制由两个背靠背的NMOS管构成，当两个NMOS管同时开启时，可以对电池包进行充电/放电操作，放电MOS关闭，则电池包不能进行放电操作（可以进行充电操作），而充电MOS关闭则电池包不能进行充电操作（可以进行放电操作）。当多个电池包堆叠使用时，需要与上下芯片进行通信（COMU）操作，传输各自电池包状态以进行统一的BMS保护策略。部分高端的BMS系统有统一的处理器通过算法策略对BMS系统进行控制，这部分系统需求报警（ALM）机制，用于将电池包异常及时反馈给处理器以便进行操作。下面根据BMS系统组成对BMS系统需求进行性分析。

图2 典型的BMS保护系统

（一）电池包电芯电压系统需求

自1991年索尼公司发布首个商用锂离子电池以来，锂离子电池以优异的性能在数码产品中得到广泛应用，并在逐步向其他产品应用领域发展。锂离子电池具有高能量密度、长使用寿命、低自放电率、高功率承受力等优点，但由于锂电池组成物质非常活跃，错误使用会出现严重后果。特别是在锂电池电量已满的情况下继续充电会导致电解液分解、燃烧甚至爆炸等重大事故。因此，对于电池包系统最基本也是最重要的系统需求即电芯过充电压保护。随着锂电材料的发展，特别是聚合物锂离子电池的成熟，对于过充电压保护的要求也逐渐提高，目前主流过充电压保护精度为4.2V±25mV，即±0.5%的精度需求，高端产品则需要±20mV以内的精度需求。而锂电池放电欠压虽然后果没有过充严重，但也会造成电池内压升高，正负极活性物质可逆性破坏，进而导致容量衰减退化，对于放电欠压保护的精度相较过充保护进度低，一般为±2%的精度需求。

（二）电池包温度系统需求

在所有环境因素中，温度对电池的充放电性能影响最大，温度高低与锂电池电极/电解液界面上的电化学反应相关。当温度过高会使锂离子流动异常，发生漏液、过流甚至爆炸。温度过低会使电池输出功率降低，但相比较低温放电，锂电池低温充电时由于锂离子来不及嵌入石墨负极，进而析出在负极金属锂枝晶，这会消耗电池中的锂离子、降低容量，甚至会刺穿隔膜，影响安全性能。因此，在BMS系统中需要对电池包的温度进行准确监控，在高温时需要禁止相关充电/放电操作，而在低温时则需要绝对禁止充电操作。BMS系统温度监控主要靠NTC电阻实现，根据NTC电阻温度特性及不同类型的锂电池温度需求，设定对应的过/欠温保护阈值。

（三）电池包充放电电流系统需求

在应用因素中，充/放电电流也会对电池包系统产生影响，最直观的影响即为充/放电引起电池包温度变化，另一方面，电池包充/放电过大容易导致电解液分解造成电池臌胀甚至冒烟起火。因此，对于电池包系统充/放电电流监控也是系统需求之一。一般对于充电电流监控采取单级保护机制，即发生充电过流后关闭放电管，等待一段时间后再恢复，系统表现为“脉冲”式充电直至充满。对于放电电流监控一般采取多级保护机制，当发生放电过流情况后会根据过流程度（过电流大小）进行层级控制，过流程度轻保护延时长，过流程度重（例如，负载短路）则需要立即进行保护。

（四）电池包其他方面系统需求

（1）可靠性系统需求：电池包使用场景复杂而且一般比较恶劣，因此需要系统有可靠的EOS、ESD防护能力。（2）安全性需求：人在使用电池包驱动的工具时，如果发生放电相关的保护，必须在确保负载断开后才可以恢复保护状态以确保人身安全。（3）低功耗需求：BMS系统不仅仅在正常工作时有功耗要求，在欠压进入休眠后、各通道采样电流等均有低功耗的设计需求。

结束语:

本文重点对BMS硬件保护系统需求进行分析，希望通过本文分析，能够有效避免各类系统故障及风险。

参考文献：

[1]刘小杰,张英,刘洋,李琪.锂离子电池热管理系统综述[J].电池,2022,52(02):208-212.

[2]杨法松,吉祥,曾国建,占礼葵.电池管理系统均衡策略测试方法[J].汽车实用技术,2022,47(06):14-17.

[3]邓林旺,冯天宇,舒时伟,张子峰,郭彬.锂离子电池快充策略技术研究进展[J/OL].储能科学与技术:1-13[2022-06-13].

[4]罗承东,吕桃林,解晶莹,付诗意,吴磊.电池管理系统算法综述[J].电源技术,2021,45(10):1371-1375.

1作者简介：俞燕，女，1982.1.30，汉族，杭州市萧山区人，学历：专科，专业：应用电子技术，研究方向：信息技术（应用电子），职称：助理工程师。

2作者简介：宋文，女，1990.4.9，汉族，河南省淮滨县人，学历：本科，专业：电子信息工程，研究方向：信息技术（应用电子），职称：助理工程师。