NEC锂电池管理系统BMS硬件保护系统需求分析

摘要：跟着我国科学水准持续地升涨之后，锂电池先是慢慢地到处被应用于现如今人们用于制作加工产品过程和日常生活情境里面。锂电池治理系统BMS硬件上的防御体系框架包括电池实施采样的那个模组、进行电流检测的模组、对温度展开监控的模组、用于通信相互连通的模组、发出警报的模组、针对负载或者充电器给出检测的模组、负责充/放电予以驱动的模组及数字控制核心的硬件组成部分。鉴于这个情况，在这篇文章里先是剖析了BMS管理电池的系统需要拥有下面这些特性，最后又剖析了硬件防御体系的需求。期望借助这篇论文的研究，能够给有关的人士提供当作参考的内容，最终可以切实地避开各种系统出现故障以及相关风险 。

关键词：锂电池管理系统；BMS；硬件保护；需求

引言

因动力锂电电芯以及锂电池管理系统BMS技术日益成熟，成本不断下降，欧美电动工具市场锂电加快替代镍镉电池等有利因素，锂电电动工具和吸尘器市场得以迅速发展。由图1无绳电动工具及吸尘器出货趋势能够看出，伴随无绳电动工具及吸尘器出货量上升，锂电无绳电动工具及吸尘器出货量占比显著增加，到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

现在，动力锂电市场呈现出快速增长的态势，与之相对应的，配套的保护芯片的要求也跟着提高了，可靠的BMS电池管理系统需要具备以下这些特性。

（1）高精度的过/欠电压检测，鉴于锂电充放电特性，系统得精准检测过/欠压，为防止安全事故或者锂电池受损坏，普遍精度要求处于0.5%以内。（2）多段高精度充/放电电流检测，于充/放电阶段对充放电电流施行高精度检测，依据不同电流等级确定不一样的保护策略，保障系统安全。（3）低系统功耗：BMS电池管理系统一旦接入电池包，便会持续展开工作，其低功耗设计能够确保电池包于存储阶段仅仅消耗极其微小、不值一提的电流，以此来防止在存储进程中所造成的电池过放问题。（4）空间及外围元件需求：采用尽可能十分小的封装以及最少数量的外部元件需求，使得系统能够非常容易地整合至空间受到限制的电池包里面。对于BMS电池管理系统芯片而言，当下除去部分国外的公司之外，国内仅仅只有少数的几家公司具备相应的方案，并且产品的可靠性比较差。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

图2展示出典型的BMS保护系统 ，该系统主要由几部分构成 ，分别是电池包 ，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 。电池包是由电池组构成的 ，此电池组是依据系统功率需求把多个电芯串并连接而成的 ，系统工作时需要电池包向负载供给能量 ，当电池包电量不够时需要充电器给电池包充电 。构成为两个背靠背的NMOS管的是电池包中的充放电控制，当两个NMOS管同时开启之时，能够对电池包开展充电或者放电操作，若放电MOS关闭，那么电池包不能够进行放电操作（但可以进行充电操作），而要是充电MOS关闭，电池包便不能进行充电操作（却可以进行放电操作）。当多个电池包堆叠运用时，需要跟上下芯片开展通信（COMU）操作，传输各自电池包状态以便执行统一的BMS保护策略。有部分高端的BMS系统，其存在统一的处理器，该处理器借助算法策略而对BMS系统加以控制，这部分系统具备需求报警（ALM）机制，此机制用于把电池包异常及时反馈给处理器，目的在于其能够进行操作。接下来依据BMS系统组成，对BMS系统需求展开性分析。

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，之后，锂离子电池凭借优异性能，在数码产品中获广泛应用，且正逐步朝着其他产品应用领域发展，锂离子电池具备高能量密度、长使用寿命、低自放电率、高功率承受力等优点，然而，因锂电池组成物质极为活跃，错误使用会引发严重后果，尤其是在锂电池电量已满时继续充电，会致使电解液分解、燃烧乃至爆炸等重大事故，所以，对于电池包系统，最基本且最重要的系统需求便是电芯过充电压保护。锂电材料不断发展，聚合物锂离子电池走向成熟，过充电压保护要求随之渐高，眼下主流过充电压保护精度是4.2V±25mV，这就是±0.5%的精度要求 ，高端产品的精度需求在±20mV以内。锂电池放电欠压，后果虽没过充那般严重，却会使电池内压上升，正负极活性物质可逆性遭破坏，致使容量发生衰退变小，对于放电欠压保护的精度，比过充保护精度低，一般是±2%的精度需求。

（二）电池包温度系统需求

在所有的诸多环境因素里边，温度对于电池的充放电性能所产生的影响是最为突出显著的，温度的高或者低跟锂电池电极以及电解液界面之上的电化学反应存在关联。要是温度过度高将会致使锂离子的流动走向异常，出现漏液、过流这种情况甚至是发生爆炸。要是温度过度低就会让电池的输出功率有所降低，然而相比较于低温状况下的放电而言，锂电池在低温充电的这个时候因为锂离子没法及时嵌入到石墨负极当中，从而在负极那里析出为金属锂枝晶，这会消耗掉电池当中的锂离子、使得容量下降，甚至还会刺穿隔膜，对安全性能带去影响呢。所以，于BMS系统内，要对电池包的温度予以精确监控，在处于高温状态时，要禁止相关的充电或者放电操作，而在温度处于低温时，就要绝对地禁止充电操作。BMS系统里面的温度监控主要是依靠NTC电阻来达成的，依据NTC电阻的温度特性以及不同类型的锂电池对于温度的需求，去设定相应的过温或者欠温保护阈值。

（三）电池包充放电电流系统需求

在应用因素里头，充/放电电流同样会给电池包系统带来影响，最为直观的影响便是充/放电致使电池包温度出现变化，另外，电池包充/放电过大易于致使电解液分解从而造成电池臌胀甚至冒烟起火。所以，针对电池包系统充/放电电流的监控亦是系统需求当中的一项。一般而言，对于充电电流的监控采用的是单级保护机制，也就是发生充电过流之后关闭放电管，等上一段时间后再恢复，系统呈现出“脉冲”式充电直至充满 。对于放电电流的监控，是一般采取了多级保护机制的，当出现放电过流情形以后！会依据过流程度包括过电流大小来实行层级调控，要是过流程度比较轻的话，是保护延时长的，如果过流程度重像负载短路这种情况，那就得马上进行保护。

（四）电池包其他方面系统需求

（1）可靠性系统需求，电池包运用场景繁杂进而通常颇为恶劣，所以需要系统具备可靠的EOS、ESD防护能力。 （2）安全性需求，人于使用电池包驱动的工具之际，要是出现放电相关的保护，就必须在确保负载断开之后才可恢复保护状态以保障人身安全。 （3）低功耗需求，BMS系统不但在正常工作之时有功耗要求，在欠压进入休眠之后、各通道采样电流等都有低功耗的设计渴求。