便攜式應急電源鋰電池的BMS設計思路

(深圳供電局有限公司，廣東 深圳 518000)

0 引言

鋰電池已經在很多能源設備系統中得到成熟的應用，但鋰電池成組都是通過串并組合而成，其能量管理和熱管理非常重要，尤其在充電過程中進行蓄電池管理至關重要，設計BMS產品應從結構、功能等方面進行綜合管理和控制功能設計，包括電池監控、電池保護、電池狀態、電池性能最大化。

1 B M S中的調節器設計

調節器相當一個電壓鉗，其擊穿電壓就是開路電壓，與鋰電池單體進行并聯，當電池滿電時調節器旁路掉一部分或全部充電電流，如圖1所示，包括基準電壓、電壓比較器、分流均衡器。

圖1 BMS中調節器設計圖

當電池的電壓超過閥值時，電壓比較器通過比較電池電壓與基準電壓得出翻轉狀態信號作用于分流均衡裝置進行分合來控制是否旁路分流。

2 B M S中的監控器設計

監控器的主要作用是當電池電壓過高或過低時，向外部系統發異常指令，由BMS系統控制器進行執行異常處理措施，拓樸結構如圖2所示。

從以上拓樸結構示意圖中可以看出，包含有兩個檢測回路，一個是用來監測低電壓、一個用監測高電壓，并分別驅動光耦元件，輸出低電壓和過電壓信號送給控制器。

圖2 BMS中監控器設計圖

3 BMS中的均衡器設計

均衡器是BMS系統的所有核心功能，它與模擬監控器類似，如圖3所示。

圖3 BMS中均衡器設計圖

圖3中是一個使用通用集成電路搭建的模擬均衡器的電路結構，從圖中可知某電池電壓超過均衡電壓時會開通負載電路用于對單體電池進行均衡。

4 B M S中的電流測量

在BMS中，由于系統中都是直流設備，因此無法使用電流傳感器對電流直接測量，需要使用分流器或霍爾傳感器，分流器是通過電阻元件上測量電阻上的電壓跌落，如圖4所示。

圖4 BMS中電流測量設計圖

從圖5中選擇4個點進行分段進行算法設計。

從圖5中可以看到，電阻元件上測得的電壓信號要么進行就地放，要么通過帶屏蔽性的雙絞線傳送給微分拓樸結構的運算放大器，這樣保證其輸出電壓與其他兩個輸入電壓差形成一定的比例。

5 B M S中的S O C估算

BMS中的SOC估算主要用于對蓄電池系統的其他組件和用戶的外部管理的重要參數，SOC估算無論采用什么樣的方法，估算誤差總不夠高，總是存在一些誤差。

BMS中的SOC估算中需用到蓄電池額定容量、電池的壽命曲線以測試到單體電池的內阻等參數。

圖5 BMS中SOC估算設計圖

6 B M S中的安全工作區域評估

BMS中的安全工作區域評估的目的是判斷蓄電池是否在其安全工作區域內，當某個蓄電池單體已經工作于其SOA邊緣時，BMS將會降低其充電電流限制值CCL 或放電電流限制值DCL，確保電源工作在最大允許值內，如果系統已經工作于SOA之外，那么BMS將會將CCL和DCL降低到0，并且插入HILM或者LLIM。

充電電流限制值CCL 或放電電流限制值DCL是否被啟用，由電量最大電池電壓、充電時的最高和最低溫度、充電電流的數值及電池組的電壓，這些參數可以設置為兩個閥值，一個用于限值開始的時候，另一個用于限值結束的時候。

7 BMS中的預充電

在BMS中，預充電電路可以在不限制工作電流的前提下限制浪涌電流，在預充電電路中至少有預充電電阻器以限制浪涌電流、預充電電阻旁路開關等，常常與傳感器組合使用來檢測接地隔離問題、負載短路問題。

在預充電期間，電阻器不需要耗散任何功率，但會承受突變強電流，所以預充電電阻需要選擇堅固并能處理高功率，但不需散熱片。

8 結論

本文針對BMS設計要點和思路、拓樸分析、進行了關鍵電路設計介紹。

1)通過主動停止充電電流或反饋停止充電信息是防止單體電壓越限。

2)通過直接停止電池電流、反饋停止運行信息或啟動冷卻裝置的手段防止單體電池溫度越限。

3)通過停止充電電流或反饋停止運行信息單體電壓過低。

4)通過反饋減小電流或切斷電流信息或直接切斷電流的方式防止充電電流越限和放電電流越限。