在本文中，我們將學習440a電池管理系統(tǒng)(BMS)的功能和工作原理，我們將研究該模塊的所有組件和電路。我已經(jīng)對這個模塊進行了完整的逆向工程，以了解它是如何工作的，以便我可以展示BMS是如何工作的。我們還有另一篇文章和視頻我們測試了這個BMS的安全參數(shù)。下圖顯示了電池組，它也有一個電壓表，負載(燈泡)和充電器的母直流插孔，你可以在這里閱讀更多關于它。
這個BMS有3個版本，標準版本，增強版本和平衡版本。
我們將著眼于平衡版本。平衡版本有4個能夠負載平衡的電阻，這個功能在其他版本中是不可用的。標準版本和增強版本幾乎相似，只是一個無源元件的差異，這些變體不能主動平衡細胞，而平衡版本有平衡細胞的電路。
4S 40A BMS電路圖保護特性
BMS對于延長電池的使用壽命和保護電池組免受任何潛在危險至關重要。4s 40A電池管理系統(tǒng)提供的保護功能有：
?細胞平衡
?過電壓保護裝置
?短路保護
?低電壓保護裝置
BMS電路圖
利用KiCAD軟件設計了該系統(tǒng)的原理圖。本文稍后將對原理圖進行完整的解釋。
BMS與電池組的連接
BMS模塊有一個整潔的布局，標記用于連接BMS與電池組中的不同點。下圖顯示了我們需要如何將cell與BMS連接起來。
BMS就像4個獨立單元的4個獨立模塊，然后這4個模塊與晶體管和無源元件非常巧妙地集成在一起，形成一個完整的BMS，能夠提供高達40A的電流，并保護單個單元的參數(shù)。
深入挖掘BMS
BMS有2個ic， DW01和BB3A;該BMS的某些變體可能具有來自不同制造商的相同或類似的ic。但所有的ic將有相同的引腳和功能。我稍后會討論這兩個ic。下圖顯示了BMS中負責不同操作的部分。
從上圖中可以清楚地看出，一個IC負責過壓、過流和短路保護，該IC是DW01-A，而另一個IC BB3A負責電池平衡。
DW01-A：電池保護IC
DW01-A是一款1芯鋰離子/聚合物電池保護IC，它負責BMS的所有保護功能。每個單元連接1個DW01-A，用于監(jiān)視特定單元的運行狀況。它采用6針sot-23-6包裝。您可以參考IC的數(shù)據(jù)表來查看功能圖和其他數(shù)據(jù)。它有一個內(nèi)部分壓器電路，負責測量電池的欠壓和過壓。通過比較CS引腳輸入和VSS之間的電壓來檢測短路和過流。
DW01-A電氣特性
任何集成電路的工作取決于它是如何設計的，這是由制造商給出的，DW01的電氣特性如下表所示：
保護電路
此電池組的保護電路如圖所示。其中，bat +和S3分別表示電池的正極和負極。IC使用VCC和接地引腳之間的內(nèi)部分壓器電路測量電池電壓，并根據(jù)上面所示的電氣特性表控制過放電(OD)和過充電(OC)引腳，從而控制下圖中的晶體管Q2和Q3。
DW01-A通過測量電流檢測引腳處的電壓來持續(xù)監(jiān)測過流或短路。在短路的情況下，電壓超過VSIP，故障，即短路被抑制通過關閉放電控制MOSFET。過流的解釋將在本文后面給出。
在上圖中，您可以觀察到VSS引腳與電阻器R24連接到電池的正極，VSS和VDD有一個并聯(lián)電容器C1。電容器和電阻器對于抑制來自充電器的波紋和干擾是必不可少的。
HY2212 BB3A：電池平衡IC
說到電池平衡電路，該電路的核心是HY2212 BB3A， 1節(jié)鋰離子/聚合物電池充電器平衡IC，該IC能夠通過電電平監(jiān)測來主動平衡電池，它包括一個非常高精度的電壓檢測電路和延遲電路。
HY2212系列是為單電池鋰離子電池而設計的，也可以用于具有單個電池的多電池包。它具有電荷平衡控制，電電平監(jiān)測IC，還包括高精度電壓檢測電路和延遲電路。IC的功能框圖如下所示，IC有一個分壓器電路連接到輸入VSS和VDD， VDD被饋送到過充電檢測比較器，用于控制增強MOSFET。您可以參考IC的數(shù)據(jù)表來查看該IC的內(nèi)部框圖。它有一個非常簡單的電路，僅使用電壓檢測比較器測量電壓并給出輸出。輸出用于控制MOSFET的柵極?？梢允褂胮型或n型MOSFET，兩種MOSFET的有效工作如下表所示。
在這個BMS中，正在使用一個n通道BMS，然后連接到480歐姆的電阻，BMS中使用的電路如下圖所示：
在上述電路中，與該IC一起使用的MOSFET是A2SHB，這是一個n通道增強MOSFET。當BB3A引腳6的輸出引腳向該增強型MOSFET的柵極發(fā)出高信號時，MOSFET通過該480歐姆電阻連接低電阻路徑，該電阻充當負載電阻并開始耗盡電池。
用歐姆定律可以很容易地求出放電速率。Ohm’s law. V=IR
因此，電池可以以每小時91毫安的速率放電。我們可以通過改變電阻器的值來改變放電速率。
全4S 40A BMS電路圖
上圖顯示了BMS電路的完整電路圖，如上所述，該電路可以分為更小的模塊，用于平衡和監(jiān)控每個單元。
如下圖所示，我們可以看到平衡器IC與電池并聯(lián)連接。同樣，電池充電IC， DW01也并聯(lián)連接到電池上。
如上所述，DW01的VSS和VDD分別接在電池的負極和正極上，作為電流檢測引腳的引腳2接在負軌上。根據(jù)從電流檢測引腳接收到的輸入，控制過充和過放晶體管。
440a BMS電路是如何工作的?
AOD472的10個MOSFET實際上連接為2組，每組5個MOSFET。第一組負責過流保護，另一組負責過放保護。電路中的所有電池都可以觸發(fā)過流或過放電保護，這是由于不同電池的電池健康狀況以不同的速率退化所必需的。所有并聯(lián)mosfet的柵極都連接在一起，源引腳也連接在一起，以便一起觸發(fā)它們。所有10個mosfet都有它們的漏極引腳連接在一起，這意味著電路只有在所有mosfet處于on狀態(tài)時才會工作，否則沒有電流流過，電池組此時既不會為輸出供電也不會充電。
為什么要連接多個mosfet ?
由于BMS是為鉆機電機操作而設計的，因此啟動電流通常高于額定電流。電機啟動電流可高達額定電流的4-8倍。當電機加速并達到其同步或基本速度時，電流減小并回到其額定速度。因此，即使它的額定功率為40A，如果連接一個消耗約40A的500w電機，浪涌電流可以在很短的時間內(nèi)高于240安培，因此多個mosfet并聯(lián)連接。
注意：當并聯(lián)放置MOSFET時，請確保所有MOSFET具有非常接近的實際vgs (TS)值，因為您希望所有并聯(lián)的MOSFET同時導通，以避免損壞MOSFET。
上圖顯示了當所有mosfet處于On狀態(tài)時的電流流。來自電池的電流流經(jīng)電池組和來自MOSFET AOD 472的串并聯(lián)連接。
控制mosfet
mosfet通過控制DW01 IC的過充和過放引腳來控制。左側(cè)mosfet的源連接到地，DW01的電流檢測引腳與源連接，因此當有短路或過電流被DW01 IC檢測到時，它打開Q9，打開晶體管對，向柵極終端發(fā)出信號，從而關閉mosfet。
負責保護電池組不受過充電影響的右一對mosfet的柵極連接到電池組的正極。當電池過充電時，DW01 IC將使用內(nèi)部電位分壓器電路檢測過充電情況，并打開OD晶體管。
在這種情況下，IC 1將打開晶體管Q2，電流的流動將打開Q21，連接負責過充電保護的并聯(lián)mosfet組合的柵極與地，從而將其關閉，從而斷開整個電路。下圖顯示了DW01 IC在充電狀態(tài)下的工作情況。
4s40a BMS模塊的部件介紹
來看看BMS的組件，BMS有2個IC， DW01-A是電池保護IC， BB3A是電池平衡IC。除了2個IC，我們還有這個組件，文本G1是MMBT5551，高壓NPN晶體管，2L是高壓PNP晶體管，PMST5401除此之外，我們還有一個肖特基整流器，在底部我們有10個n溝道增強MOSFET D472, 2組并聯(lián)的5個MOSFET串聯(lián)在一起，可以實現(xiàn)高電流傳輸，是過流保護和過充電保護的一個非常重要的組件。
BMS中使用的所有組件如下表所示：
4S 40A BMS模塊保護特性
如上所述，BMS模塊具有保護電池組的所有必要功能，它提供過充電保護，過放電保護，短路保護以及電池平衡。有關保護功能的更多細節(jié)如下。
過度充電狀態(tài)
當電池充電超過安全充電電壓時，電池的健康狀況會受到影響，電池的生命周期會縮短。為了防止電池過度充電，BMS采用了過度充電保護機制，將電池組與充電器斷開連接。過充保護的工作原理如下圖所示。
從上圖可以看出，當充電器連接時，電池電壓繼續(xù)增加，一旦超過VOCP(過充保護電壓)，它就等待TOC(過充延遲時間)并打開過充保護晶體管，從而關閉過充保護mosfet。IC不會關閉OC引腳，除非電池的電壓低于VOCR(電池過充電釋放電壓)。
過放電狀態(tài)
當電池電壓低于安全工作電壓時，電池的健康狀況就會受到影響，電池的生命周期也會縮短。為了防止電池過度放電，BMS采用過度放電保護。過放電保護的工作原理如下圖所示
從上圖中可以看出，當負載連接時，電池電壓繼續(xù)降低，并且一旦進入VODP(過放電保護電壓)，它就會等待TOD(過放電延遲時間)并打開過放電保護晶體管，從而關閉過放電保護mosfet。因此沒有電流流過BMS。直到電池不充電，電池的電壓不超過VODR(過放電釋放電壓)，BMS不允許使用電池組，從而增加了我們的電池組的壽命。
上圖顯示了過放電條件下的電流流動。正如你所看到的，晶體管是并聯(lián)的，因為當晶體管并聯(lián)時，它們就像一個大晶體管，可以處理更大的電流。
并聯(lián)晶體管
過流保護
BMS中的過流保護是必要的，當發(fā)生短路故障或負載電流高于電池組規(guī)格時，可以保護電池系統(tǒng)不發(fā)生過流或短路。這種情況會影響細胞的健康，甚至對細胞造成損害，導致火災。為了保護電池免受過流，BMS采用過流保護。過流保護的工作原理如下圖所示
在正常情況下，CS引腳通過不斷監(jiān)測CS引腳的電壓來監(jiān)測放電電流。當單元的電流需求激增并且CS引腳中的電壓超過VOIP(過流保護電壓)超過TOI1(過流延遲時間)時，過流保護電路運行并關閉OC MOSFET，從而斷開電路。過流放電保護只有在負載釋放或正負極間電池阻抗大于500k歐姆時才解除。
結(jié)論
440a BMS是一種經(jīng)濟且非常有效的模塊，可以保護鋰離子電池免受損壞。該設計可以修改，以用于更高或更低數(shù)量的細胞，使其成為一個非常通用的設計。BMS中使用的組件很容易獲得，市場上有很多替換部件，這使它成為您下一個項目中非常好的BMS。
本文編譯自circuitdigest
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