便攜式應(yīng)急電源鋰電池的BMS設(shè)計(jì)思路

(深圳供電局有限公司，廣東 深圳 518000)

0 引言

鋰電池已經(jīng)在很多能源設(shè)備系統(tǒng)中得到成熟的應(yīng)用，但鋰電池成組都是通過(guò)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(guò)程中進(jìn)行蓄電池管理至關(guān)重要，設(shè)計(jì)BMS產(chǎn)品應(yīng)從結(jié)構(gòu)、功能等方面進(jìn)行綜合管理和控制功能設(shè)計(jì)，包括電池監(jiān)控、電池保護(hù)、電池狀態(tài)、電池性能最大化。

1 B M S中的調(diào)節(jié)器設(shè)計(jì)

調(diào)節(jié)器相當(dāng)一個(gè)電壓鉗，其擊穿電壓就是開(kāi)路電壓，與鋰電池單體進(jìn)行并聯(lián)，當(dāng)電池滿電時(shí)調(diào)節(jié)器旁路掉一部分或全部充電電流，如圖1所示，包括基準(zhǔn)電壓、電壓比較器、分流均衡器。

圖1 BMS中調(diào)節(jié)器設(shè)計(jì)圖

當(dāng)電池的電壓超過(guò)閥值時(shí)，電壓比較器通過(guò)比較電池電壓與基準(zhǔn)電壓得出翻轉(zhuǎn)狀態(tài)信號(hào)作用于分流均衡裝置進(jìn)行分合來(lái)控制是否旁路分流。

2 B M S中的監(jiān)控器設(shè)計(jì)

監(jiān)控器的主要作用是當(dāng)電池電壓過(guò)高或過(guò)低時(shí)，向外部系統(tǒng)發(fā)異常指令，由BMS系統(tǒng)控制器進(jìn)行執(zhí)行異常處理措施，拓樸結(jié)構(gòu)如圖2所示。

從以上拓樸結(jié)構(gòu)示意圖中可以看出，包含有兩個(gè)檢測(cè)回路，一個(gè)是用來(lái)監(jiān)測(cè)低電壓、一個(gè)用監(jiān)測(cè)高電壓，并分別驅(qū)動(dòng)光耦元件，輸出低電壓和過(guò)電壓信號(hào)送給控制器。

圖2 BMS中監(jiān)控器設(shè)計(jì)圖

3 BMS中的均衡器設(shè)計(jì)

均衡器是BMS系統(tǒng)的所有核心功能，它與模擬監(jiān)控器類似，如圖3所示。

圖3 BMS中均衡器設(shè)計(jì)圖

圖3中是一個(gè)使用通用集成電路搭建的模擬均衡器的電路結(jié)構(gòu)，從圖中可知某電池電壓超過(guò)均衡電壓時(shí)會(huì)開(kāi)通負(fù)載電路用于對(duì)單體電池進(jìn)行均衡。

4 B M S中的電流測(cè)量

在BMS中，由于系統(tǒng)中都是直流設(shè)備，因此無(wú)法使用電流傳感器對(duì)電流直接測(cè)量，需要使用分流器或霍爾傳感器，分流器是通過(guò)電阻元件上測(cè)量電阻上的電壓跌落，如圖4所示。

圖4 BMS中電流測(cè)量設(shè)計(jì)圖

從圖5中選擇4個(gè)點(diǎn)進(jìn)行分段進(jìn)行算法設(shè)計(jì)。

從圖5中可以看到，電阻元件上測(cè)得的電壓信號(hào)要么進(jìn)行就地放，要么通過(guò)帶屏蔽性的雙絞線傳送給微分拓樸結(jié)構(gòu)的運(yùn)算放大器，這樣保證其輸出電壓與其他兩個(gè)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(duì)蓄電池系統(tǒng)的其他組件和用戶的外部管理的重要參數(shù)，SOC估算無(wú)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(cè)試到單體電池的內(nèi)阻等參數(shù)。

圖5 BMS中SOC估算設(shè)計(jì)圖

6 B M S中的安全工作區(qū)域評(píng)估

BMS中的安全工作區(qū)域評(píng)估的目的是判斷蓄電池是否在其安全工作區(qū)域內(nèi)，當(dāng)某個(gè)蓄電池單體已經(jīng)工作于其SOA邊緣時(shí)，BMS將會(huì)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(nèi)，如果系統(tǒng)已經(jīng)工作于SOA之外，那么BMS將會(huì)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(shí)的最高和最低溫度、充電電流的數(shù)值及電池組的電壓，這些參數(shù)可以設(shè)置為兩個(gè)閥值，一個(gè)用于限值開(kāi)始的時(shí)候，另一個(gè)用于限值結(jié)束的時(shí)候。

7 BMS中的預(yù)充電

在BMS中，預(yù)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(yù)充電電路中至少有預(yù)充電電阻器以限制浪涌電流、預(yù)充電電阻旁路開(kāi)關(guān)等，常常與傳感器組合使用來(lái)檢測(cè)接地隔離問(wèn)題、負(fù)載短路問(wèn)題。

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

8 結(jié)論

本文針對(duì)BMS設(shè)計(jì)要點(diǎn)和思路、拓樸分析、進(jìn)行了關(guān)鍵電路設(shè)計(jì)介紹。

1)通過(guò)主動(dòng)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(guò)直接停止電池電流、反饋停止運(yùn)行信息或啟動(dòng)冷卻裝置的手段防止單體電池溫度越限。

3)通過(guò)停止充電電流或反饋停止運(yùn)行信息單體電壓過(guò)低。

4)通過(guò)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。