動(dòng)力BMS鋰電池保護(hù)板工作原理詳解2021-05-24 08:15
動(dòng)力BMS鋰電池保護(hù)板
一、鋰電池的構(gòu)成
鋰電池主要由兩大塊構(gòu)成，電芯和保護(hù)板PCM（動(dòng)力電池一般稱為電池管理系統(tǒng)BMS），電芯相當(dāng)于鋰電池的心臟，管理系統(tǒng)相當(dāng)于鋰電池的大腦。電芯主要由正極材料、負(fù)極材料、電解液、隔膜和外殼構(gòu)成，而保護(hù)板主要由保護(hù)芯片（或管理芯片）、MOS管、電阻、電容和PCB板等構(gòu)成。
二、鋰電池優(yōu)缺點(diǎn)
鋰電池的優(yōu)點(diǎn)很多，電壓平臺(tái)高，能量密度大（重量輕、體積?。?，使用壽命長，環(huán)保。
鋰電池的缺點(diǎn)就是，價(jià)格相對(duì)高，溫度范圍相對(duì)窄，有一定的安全隱患（需加保護(hù)系統(tǒng)）。
三、鋰電池分類
鋰電池可以分成兩個(gè)大類：一次性不可充電電池和二次充電電池（又稱為蓄電池）。
不可充電電池如鋰二氧化錳電池、鋰-亞硫酰胺電池。
四、各種動(dòng)力電池對(duì)比
動(dòng)力電池主要是更具其應(yīng)用來考慮的，主要應(yīng)用在電動(dòng)電動(dòng)汽車、電動(dòng)自行車、電動(dòng)工具等。
動(dòng)力電池區(qū)別于普通電池又其一定的特殊性：
1.電池的串并聯(lián)
2.電池的容量較大
3.電池的放電倍率較大（混合動(dòng)力和電動(dòng)工具）
4.電池的安全性要求較高
5.電池的工作溫度范圍較寬
6.電池的使用壽命長，一般要求5~10年
五、BMS功能介紹及分析
1.電池保護(hù)，和PCM差不多，過充、過放、過溫、過流，還有短路保護(hù)。像普通的鋰錳電池和三元鋰電池，一旦檢測到任何一節(jié)電池電壓超過4.2V或任何一節(jié)電池電壓低于3.0V系統(tǒng)就會(huì)自動(dòng)切斷充電或放電回路。如果電池溫度超過電池的工作溫度或電流大于電池的放電電流，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)切斷電流通路，保障電池和系統(tǒng)安全。
2.能量均衡，整個(gè)電池包，由于很多節(jié)電池串聯(lián)，工作一定時(shí)間后，由于其電芯本身的不一致性、工作溫度的不一致性等原因的影響，最后會(huì)表現(xiàn)出很大的差異，對(duì)電池的壽命和系統(tǒng)的使用有巨大的影響，能量均衡就是彌補(bǔ)電芯個(gè)體之間的差異去做一些主動(dòng)或被動(dòng)的充電或放電的管理，確保電池的一致性，延長電池的壽命。
業(yè)內(nèi)一般有被動(dòng)均衡和主動(dòng)均衡兩類方式，其中被動(dòng)均衡主要是把電量多的電量通過電阻消耗達(dá)到均衡，主動(dòng)均衡主要是把電量多的電池的電量通過電容、電感或變壓器轉(zhuǎn)移到電量少的電池達(dá)到均衡。
由于主動(dòng)均衡系統(tǒng)相對(duì)復(fù)雜，成本相對(duì)較高，主流依然還是被動(dòng)均衡。
3.SOC計(jì)算，電池的電量計(jì)算是BMS很重要的一塊，很多系統(tǒng)都需要比較精確知道剩余電量的情況。由于技術(shù)的發(fā)展，SOC的計(jì)算積累的很多的方法，精度要求不高的可以根據(jù)電池電壓判斷剩余電量，精確的方法主要的是電流積分法（又叫Ah法），Q=∫idt，還有內(nèi)阻法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法、卡爾曼濾波法等。業(yè)內(nèi)主流依然是電流計(jì)分法。
4.通信，不同的系統(tǒng)對(duì)通信接口的要求不一樣，主流的通信接口有SPI、I2C、CAN、RS485等。其中汽車和儲(chǔ)能系統(tǒng)主要是CAN和RS485。
BMS系統(tǒng)由于競爭還不充分，加之其系統(tǒng)的復(fù)雜性，系統(tǒng)廠商相對(duì)較少，相關(guān)的芯片廠商也主要是歐美幾家大廠，國內(nèi)有少數(shù)幾家大公司在研發(fā)。未來的機(jī)會(huì)很多。（下面給大家講保護(hù)板出現(xiàn)不良的分析）
六、保護(hù)板不良分析
無顯示、輸出電壓低、帶不起負(fù)載：
此類不良首先排除電芯不良（電芯本來無電壓或電壓低），如果電芯不良則應(yīng)測試保護(hù)板的自耗電，看是否是保護(hù)板自耗電過大導(dǎo)致電芯電壓低。如果電芯電壓正常，則是由于保護(hù)板整個(gè)回路不通（元器件虛焊、假焊、FUSE不良、PCB板內(nèi)部電路不通、過孔不通、MOS、IC損壞等）。具體分析
步驟如下：
（一）、用萬用表黑表筆接電芯負(fù)極，紅表筆依次接FUSE、R1電阻兩端，IC的Vdd、Dout、Cout端，P+端（假設(shè)電芯電壓為3.8V），逐段進(jìn)行分析，此幾個(gè)測試點(diǎn)都應(yīng)為3.8V。若不是，則此段電路有問題。
1.FUSE兩端電壓有變化：測試FUSE是否導(dǎo)通，若導(dǎo)通則是PCB板內(nèi)部電路不通；若不導(dǎo)通則FUSE有問題（來料不良、過流損壞（MOS或IC控制失效）、材質(zhì)有問題（在MOS或IC動(dòng)作之前FUSE被燒壞），然后用導(dǎo)線短接FUSE，繼續(xù)往后分析。
2.R1電阻兩端電壓有變化：測試R1電阻值，若電阻值異常，則可能是虛焊，電阻本身斷裂。若電阻值無異常，則可能是IC內(nèi)部電阻出現(xiàn)問題。
3.IC測試端電壓有變化：Vdd端與R1電阻相連。Dout、Cout端異常,則是由于IC虛焊或損壞。
4.若前面電壓都無變化：測試B-到P+間的電壓異常，則是由于保護(hù)板正極過孔不通。
（二）、萬用表紅表筆接電芯正極，激活MOS管后，黑表筆依次接MOS管2、3腳，6、7腳，P-端。
1.MOS管2、3腳，6、7腳電壓有變化,則表示MOS管異常。
2.若MOS管電壓無變化，P-端電壓異常，則是由于保護(hù)板負(fù)極過孔不通。
七、短路無保護(hù)
1.VM端電阻出現(xiàn)問題：可用萬用表一表筆接IC2腳，一表筆接與VM端電阻相連的MOS管管腳，確認(rèn)其電阻值大小?？措娮枧cIC、MOS管腳有無虛焊。
2.IC、MOS異常：由于過放保護(hù)與過流、短路保護(hù)共用一個(gè)MOS管，若短路異常是由于MOS出現(xiàn)問題，則此板應(yīng)無過放保護(hù)功能。
3.以上為正常狀況下的不良，也可能出現(xiàn)IC與MOS配置不良引起的短路異常。如前期出現(xiàn)的BK-901，其型號(hào)為‘312D’的IC內(nèi)延遲時(shí)間過長，導(dǎo)致在IC作出相應(yīng)動(dòng)作控制之前MOS或其它元器件已被損壞。注：其中確定IC或MOS是否發(fā)生異常最簡易、直接的方法就是對(duì)有懷疑的元器件進(jìn)行更換。
八、短路保護(hù)無自恢復(fù)
1.設(shè)計(jì)時(shí)所用IC本來沒有自恢復(fù)功能,如G2J，G2Z等。
2.儀器設(shè)置短路恢復(fù)時(shí)間過短，或短路測試時(shí)未將負(fù)載移開，如用萬用表電壓檔進(jìn)行短路表筆短接后未將表筆從測試端移開（萬用表相當(dāng)于一個(gè)幾兆的負(fù)載）。
3.P+、P-間漏電，如焊盤之間存在帶雜質(zhì)的松香，帶雜質(zhì)的黃膠或P+、P-間電容被擊穿,ICVdd到Vss間被擊穿.（阻值只有幾K到幾百K）.
4.如果以上都沒問題，可能IC被擊穿，可測試IC各管腳之間阻值。
九、內(nèi)阻大
1.由于MOS內(nèi)阻相對(duì)比較穩(wěn)定，出現(xiàn)內(nèi)阻大情況，首先懷疑的應(yīng)該是FUSE或PTC這些內(nèi)阻相對(duì)比較容易發(fā)生變化的元器件。
2.如果FUSE或PTC阻值正常，則視保護(hù)板結(jié)構(gòu)檢測P+、P-焊盤與元器件面之間的過孔阻值，可能過孔出現(xiàn)微斷現(xiàn)象，阻值較大。
3.如果以上多沒有問題，就要懷疑MOS是否出現(xiàn)異常：首先確定焊接有沒有問題；其次看板的厚度（是否容易彎折），因?yàn)閺澱蹠r(shí)可能導(dǎo)致管腳焊接處異常；再將MOS管放到顯微鏡下觀測是否破裂；最后用萬用表測試MOS管腳阻值，看是否被擊穿。
十、ID異常
1.ID電阻本身由于虛焊、斷裂或因電阻材質(zhì)不過關(guān)而出現(xiàn)異常：可重新焊接電阻兩端，若重焊后ID正常則是電阻虛焊，若斷裂則電阻會(huì)在重焊后從中裂開。
2.ID過孔不導(dǎo)通：可用萬用表測試過孔兩端。
3.內(nèi)部線路出現(xiàn)問題：可刮開阻焊漆看內(nèi)部電路有無斷開、短路現(xiàn)象。
一、鋰電池的構(gòu)成
鋰電池主要由兩大塊構(gòu)成，電芯和保護(hù)板PCM（動(dòng)力電池一般稱為電池管理系統(tǒng)BMS），電芯相當(dāng)于鋰電池的心臟，管理系統(tǒng)相當(dāng)于鋰電池的大腦。電芯主要由正極材料、負(fù)極材料、電解液、隔膜和外殼構(gòu)成，而保護(hù)板主要由保護(hù)芯片（或管理芯片）、MOS管、電阻、電容和PCB板等構(gòu)成。
二、鋰電池優(yōu)缺點(diǎn)
鋰電池的優(yōu)點(diǎn)很多，電壓平臺(tái)高，能量密度大（重量輕、體積?。?，使用壽命長，環(huán)保。
鋰電池的缺點(diǎn)就是，價(jià)格相對(duì)高，溫度范圍相對(duì)窄，有一定的安全隱患（需加保護(hù)系統(tǒng)）。
三、鋰電池分類
鋰電池可以分成兩個(gè)大類：一次性不可充電電池和二次充電電池（又稱為蓄電池）。
不可充電電池如鋰二氧化錳電池、鋰-亞硫酰胺電池。
四、各種動(dòng)力電池對(duì)比
動(dòng)力電池主要是更具其應(yīng)用來考慮的，主要應(yīng)用在電動(dòng)電動(dòng)汽車、電動(dòng)自行車、電動(dòng)工具等。
動(dòng)力電池區(qū)別于普通電池又其一定的特殊性：
1.電池的串并聯(lián)
2.電池的容量較大
3.電池的放電倍率較大（混合動(dòng)力和電動(dòng)工具）
4.電池的安全性要求較高
5.電池的工作溫度范圍較寬
6.電池的使用壽命長，一般要求5~10年
五、BMS功能介紹及分析
1.電池保護(hù)，和PCM差不多，過充、過放、過溫、過流，還有短路保護(hù)。像普通的鋰錳電池和三元鋰電池，一旦檢測到任何一節(jié)電池電壓超過4.2V或任何一節(jié)電池電壓低于3.0V系統(tǒng)就會(huì)自動(dòng)切斷充電或放電回路。如果電池溫度超過電池的工作溫度或電流大于電池的放電電流，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)切斷電流通路，保障電池和系統(tǒng)安全。
2.能量均衡，整個(gè)電池包，由于很多節(jié)電池串聯(lián)，工作一定時(shí)間后，由于其電芯本身的不一致性、工作溫度的不一致性等原因的影響，最后會(huì)表現(xiàn)出很大的差異，對(duì)電池的壽命和系統(tǒng)的使用有巨大的影響，能量均衡就是彌補(bǔ)電芯個(gè)體之間的差異去做一些主動(dòng)或被動(dòng)的充電或放電的管理，確保電池的一致性，延長電池的壽命。
業(yè)內(nèi)一般有被動(dòng)均衡和主動(dòng)均衡兩類方式，其中被動(dòng)均衡主要是把電量多的電量通過電阻消耗達(dá)到均衡，主動(dòng)均衡主要是把電量多的電池的電量通過電容、電感或變壓器轉(zhuǎn)移到電量少的電池達(dá)到均衡。
由于主動(dòng)均衡系統(tǒng)相對(duì)復(fù)雜，成本相對(duì)較高，主流依然還是被動(dòng)均衡。
3.SOC計(jì)算，電池的電量計(jì)算是BMS很重要的一塊，很多系統(tǒng)都需要比較精確知道剩余電量的情況。由于技術(shù)的發(fā)展，SOC的計(jì)算積累的很多的方法，精度要求不高的可以根據(jù)電池電壓判斷剩余電量，精確的方法主要的是電流積分法（又叫Ah法），Q=∫idt，還有內(nèi)阻法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法、卡爾曼濾波法等。業(yè)內(nèi)主流依然是電流計(jì)分法。
4.通信，不同的系統(tǒng)對(duì)通信接口的要求不一樣，主流的通信接口有SPI、I2C、CAN、RS485等。其中汽車和儲(chǔ)能系統(tǒng)主要是CAN和RS485。
BMS系統(tǒng)由于競爭還不充分，加之其系統(tǒng)的復(fù)雜性，系統(tǒng)廠商相對(duì)較少，相關(guān)的芯片廠商也主要是歐美幾家大廠，國內(nèi)有少數(shù)幾家大公司在研發(fā)。未來的機(jī)會(huì)很多。（下面給大家講保護(hù)板出現(xiàn)不良的分析）
六、保護(hù)板不良分析
無顯示、輸出電壓低、帶不起負(fù)載：
此類不良首先排除電芯不良（電芯本來無電壓或電壓低），如果電芯不良則應(yīng)測試保護(hù)板的自耗電，看是否是保護(hù)板自耗電過大導(dǎo)致電芯電壓低。如果電芯電壓正常，則是由于保護(hù)板整個(gè)回路不通（元器件虛焊、假焊、FUSE不良、PCB板內(nèi)部電路不通、過孔不通、MOS、IC損壞等）。具體分析
步驟如下：
（一）、用萬用表黑表筆接電芯負(fù)極，紅表筆依次接FUSE、R1電阻兩端，IC的Vdd、Dout、Cout端，P+端（假設(shè)電芯電壓為3.8V），逐段進(jìn)行分析，此幾個(gè)測試點(diǎn)都應(yīng)為3.8V。若不是，則此段電路有問題。
1.FUSE兩端電壓有變化：測試FUSE是否導(dǎo)通，若導(dǎo)通則是PCB板內(nèi)部電路不通；若不導(dǎo)通則FUSE有問題（來料不良、過流損壞（MOS或IC控制失效）、材質(zhì)有問題（在MOS或IC動(dòng)作之前FUSE被燒壞），然后用導(dǎo)線短接FUSE，繼續(xù)往后分析。
2.R1電阻兩端電壓有變化：測試R1電阻值，若電阻值異常，則可能是虛焊，電阻本身斷裂。若電阻值無異常，則可能是IC內(nèi)部電阻出現(xiàn)問題。
3.IC測試端電壓有變化：Vdd端與R1電阻相連。Dout、Cout端異常,則是由于IC虛焊或損壞。
4.若前面電壓都無變化：測試B-到P+間的電壓異常，則是由于保護(hù)板正極過孔不通。
（二）、萬用表紅表筆接電芯正極，激活MOS管后，黑表筆依次接MOS管2、3腳，6、7腳，P-端。
1.MOS管2、3腳，6、7腳電壓有變化,則表示MOS管異常。
2.若MOS管電壓無變化，P-端電壓異常，則是由于保護(hù)板負(fù)極過孔不通。
七、短路無保護(hù)
1.VM端電阻出現(xiàn)問題：可用萬用表一表筆接IC2腳，一表筆接與VM端電阻相連的MOS管管腳，確認(rèn)其電阻值大小?？措娮枧cIC、MOS管腳有無虛焊。
2.IC、MOS異常：由于過放保護(hù)與過流、短路保護(hù)共用一個(gè)MOS管，若短路異常是由于MOS出現(xiàn)問題，則此板應(yīng)無過放保護(hù)功能。
3.以上為正常狀況下的不良，也可能出現(xiàn)IC與MOS配置不良引起的短路異常。如前期出現(xiàn)的BK-901，其型號(hào)為‘312D’的IC內(nèi)延遲時(shí)間過長，導(dǎo)致在IC作出相應(yīng)動(dòng)作控制之前MOS或其它元器件已被損壞。注：其中確定IC或MOS是否發(fā)生異常最簡易、直接的方法就是對(duì)有懷疑的元器件進(jìn)行更換。
八、短路保護(hù)無自恢復(fù)
1.設(shè)計(jì)時(shí)所用IC本來沒有自恢復(fù)功能,如G2J，G2Z等。
2.儀器設(shè)置短路恢復(fù)時(shí)間過短，或短路測試時(shí)未將負(fù)載移開，如用萬用表電壓檔進(jìn)行短路表筆短接后未將表筆從測試端移開（萬用表相當(dāng)于一個(gè)幾兆的負(fù)載）。
3.P+、P-間漏電，如焊盤之間存在帶雜質(zhì)的松香，帶雜質(zhì)的黃膠或P+、P-間電容被擊穿,ICVdd到Vss間被擊穿.（阻值只有幾K到幾百K）.
4.如果以上都沒問題，可能IC被擊穿，可測試IC各管腳之間阻值。
九、內(nèi)阻大
1.由于MOS內(nèi)阻相對(duì)比較穩(wěn)定，出現(xiàn)內(nèi)阻大情況，首先懷疑的應(yīng)該是FUSE或PTC這些內(nèi)阻相對(duì)比較容易發(fā)生變化的元器件。
2.如果FUSE或PTC阻值正常，則視保護(hù)板結(jié)構(gòu)檢測P+、P-焊盤與元器件面之間的過孔阻值，可能過孔出現(xiàn)微斷現(xiàn)象，阻值較大。
3.如果以上多沒有問題，就要懷疑MOS是否出現(xiàn)異常：首先確定焊接有沒有問題；其次看板的厚度（是否容易彎折），因?yàn)閺澱蹠r(shí)可能導(dǎo)致管腳焊接處異常；再將MOS管放到顯微鏡下觀測是否破裂；最后用萬用表測試MOS管腳阻值，看是否被擊穿。
十、ID異常
1.ID電阻本身由于虛焊、斷裂或因電阻材質(zhì)不過關(guān)而出現(xiàn)異常：可重新焊接電阻兩端，若重焊后ID正常則是電阻虛焊，若斷裂則電阻會(huì)在重焊后從中裂開。
2.ID過孔不導(dǎo)通：可用萬用表測試過孔兩端。
3.內(nèi)部線路出現(xiàn)問題：可刮開阻焊漆看內(nèi)部電路有無斷開、短路現(xiàn)象。
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