鋰離子電池管理和保護(hù)模塊(BMS)拆卸-原理圖，零件清單和工作

在本文中，我們將學(xué)習(xí)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(gè)模塊進(jìn)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(gè)BMS的安全參數(shù)。下圖顯示了電池組，它也有一個(gè)電壓表，負(fù)載(燈泡)和充電器的母直流插孔，你可以在這里閱讀更多關(guān)于它。

這個(gè)BMS有3個(gè)版本，標(biāo)準(zhǔn)版本，增強(qiáng)版本和平衡版本。

我們將著眼于平衡版本。平衡版本有4個(gè)能夠負(fù)載平衡的電阻，這個(gè)功能在其他版本中是不可用的。標(biāo)準(zhǔn)版本和增強(qiáng)版本幾乎相似，只是一個(gè)無源元件的差異，這些變體不能主動(dòng)平衡細(xì)胞，而平衡版本有平衡細(xì)胞的電路。

4S 40A BMS電路圖保護(hù)特性

BMS對于延長電池的使用壽命和保護(hù)電池組免受任何潛在危險(xiǎn)至關(guān)重要。4s 40A電池管理系統(tǒng)提供的保護(hù)功能有：

?細(xì)胞平衡

?過電壓保護(hù)裝置

?短路保護(hù)

?低電壓保護(hù)裝置

BMS電路圖

利用KiCAD軟件設(shè)計(jì)了該系統(tǒng)的原理圖。本文稍后將對原理圖進(jìn)行完整的解釋。

BMS與電池組的連接

BMS模塊有一個(gè)整潔的布局，標(biāo)記用于連接BMS與電池組中的不同點(diǎn)。下圖顯示了我們需要如何將cell與BMS連接起來。

BMS就像4個(gè)獨(dú)立單元的4個(gè)獨(dú)立模塊，然后這4個(gè)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(gè)完整的BMS，能夠提供高達(dá)40A的電流，并保護(hù)單個(gè)單元的參數(shù)。

深入挖掘BMS

BMS有2個(gè)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(huì)討論這兩個(gè)ic。下圖顯示了BMS中負(fù)責(zé)不同操作的部分。

從上圖中可以清楚地看出，一個(gè)IC負(fù)責(zé)過壓、過流和短路保護(hù)，該IC是DW01-A，而另一個(gè)IC BB3A負(fù)責(zé)電池平衡。

DW01-A：電池保護(hù)IC

DW01-A是一款1芯鋰離子/聚合物電池保護(hù)IC，它負(fù)責(zé)BMS的所有保護(hù)功能。每個(gè)單元連接1個(gè)DW01-A，用于監(jiān)視特定單元的運(yùn)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(gè)內(nèi)部分壓器電路，負(fù)責(zé)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(shè)計(jì)的，這是由制造商給出的，DW01的電氣特性如下表所示：

保護(hù)電路

此電池組的保護(hù)電路如圖所示。其中，bat +和S3分別表示電池的正極和負(fù)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(guān)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(gè)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(dòng)平衡電池，它包括一個(gè)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(shè)計(jì)的，也可以用于具有單個(gè)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(gè)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(qiáng)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(gè)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(gè)BMS中，正在使用一個(gè)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(gè)n通道增強(qiáng)MOSFET。當(dāng)BB3A引腳6的輸出引腳向該增強(qiáng)型MOSFET的柵極發(fā)出高信號(hào)時(shí)，MOSFET通過該480歐姆電阻連接低電阻路徑，該電阻充當(dāng)負(fù)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(shí)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(gè)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(fù)極和正極上，作為電流檢測引腳的引腳2接在負(fù)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(gè)MOSFET實(shí)際上連接為2組，每組5個(gè)MOSFET。第一組負(fù)責(zé)過流保護(hù)，另一組負(fù)責(zé)過放保護(hù)。電路中的所有電池都可以觸發(fā)過流或過放電保護(hù)，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(gè)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(shí)才會(huì)工作，否則沒有電流流過，電池組此時(shí)既不會(huì)為輸出供電也不會(huì)充電。

為什么要連接多個(gè)mosfet ?

由于BMS是為鉆機(jī)電機(jī)操作而設(shè)計(jì)的，因此啟動(dòng)電流通常高于額定電流。電機(jī)啟動(dòng)電流可高達(dá)額定電流的4-8倍。當(dāng)電機(jī)加速并達(dá)到其同步或基本速度時(shí)，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(gè)消耗約40A的500w電機(jī)，浪涌電流可以在很短的時(shí)間內(nèi)高于240安培，因此多個(gè)mosfet并聯(lián)連接。

注意：當(dāng)并聯(lián)放置MOSFET時(shí)，請確保所有MOSFET具有非常接近的實(shí)際vgs (TS)值，因?yàn)槟Ｍ胁⒙?lián)的MOSFET同時(shí)導(dǎo)通，以避免損壞MOSFET。

上圖顯示了當(dāng)所有mosfet處于On狀態(tài)時(shí)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(dāng)有短路或過電流被DW01 IC檢測到時(shí)，它打開Q9，打開晶體管對，向柵極終端發(fā)出信號(hào)，從而關(guān)閉mosfet。

負(fù)責(zé)保護(hù)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(dāng)電池過充電時(shí)，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(dòng)將打開Q21，連接負(fù)責(zé)過充電保護(hù)的并聯(lián)mosfet組合的柵極與地，從而將其關(guān)閉，從而斷開整個(gè)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(gè)IC， DW01-A是電池保護(hù)IC， BB3A是電池平衡IC。除了2個(gè)IC，我們還有這個(gè)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(gè)肖特基整流器，在底部我們有10個(gè)n溝道增強(qiáng)MOSFET D472, 2組并聯(lián)的5個(gè)MOSFET串聯(lián)在一起，可以實(shí)現(xiàn)高電流傳輸，是過流保護(hù)和過充電保護(hù)的一個(gè)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(hù)特性

如上所述，BMS模塊具有保護(hù)電池組的所有必要功能，它提供過充電保護(hù)，過放電保護(hù)，短路保護(hù)以及電池平衡。有關(guān)保護(hù)功能的更多細(xì)節(jié)如下。

過度充電狀態(tài)

當(dāng)電池充電超過安全充電電壓時(shí)，電池的健康狀況會(huì)受到影響，電池的生命周期會(huì)縮短。為了防止電池過度充電，BMS采用了過度充電保護(hù)機(jī)制，將電池組與充電器斷開連接。過充保護(hù)的工作原理如下圖所示。

從上圖可以看出，當(dāng)充電器連接時(shí)，電池電壓繼續(xù)增加，一旦超過VOCP(過充保護(hù)電壓)，它就等待TOC(過充延遲時(shí)間)并打開過充保護(hù)晶體管，從而關(guān)閉過充保護(hù)mosfet。IC不會(huì)關(guān)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(dāng)電池電壓低于安全工作電壓時(shí)，電池的健康狀況就會(huì)受到影響，電池的生命周期也會(huì)縮短。為了防止電池過度放電，BMS采用過度放電保護(hù)。過放電保護(hù)的工作原理如下圖所示

從上圖中可以看出，當(dāng)負(fù)載連接時(shí)，電池電壓繼續(xù)降低，并且一旦進(jìn)入VODP(過放電保護(hù)電壓)，它就會(huì)等待TOD(過放電延遲時(shí)間)并打開過放電保護(hù)晶體管，從而關(guān)閉過放電保護(hù)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(dòng)。正如你所看到的，晶體管是并聯(lián)的，因?yàn)楫?dāng)晶體管并聯(lián)時(shí)，它們就像一個(gè)大晶體管，可以處理更大的電流。

并聯(lián)晶體管

過流保護(hù)

BMS中的過流保護(hù)是必要的，當(dāng)發(fā)生短路故障或負(fù)載電流高于電池組規(guī)格時(shí)，可以保護(hù)電池系統(tǒng)不發(fā)生過流或短路。這種情況會(huì)影響細(xì)胞的健康，甚至對細(xì)胞造成損害，導(dǎo)致火災(zāi)。為了保護(hù)電池免受過流，BMS采用過流保護(hù)。過流保護(hù)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(dāng)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(hù)電壓)超過TOI1(過流延遲時(shí)間)時(shí)，過流保護(hù)電路運(yùn)行并關(guān)閉OC MOSFET，從而斷開電路。過流放電保護(hù)只有在負(fù)載釋放或正負(fù)極間電池阻抗大于500k歐姆時(shí)才解除。

結(jié)論

440a BMS是一種經(jīng)濟(jì)且非常有效的模塊，可以保護(hù)鋰離子電池免受損壞。該設(shè)計(jì)可以修改，以用于更高或更低數(shù)量的細(xì)胞，使其成為一個(gè)非常通用的設(shè)計(jì)。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(gè)項(xiàng)目中非常好的BMS。

本文編譯自circuitdigest