1.4 TI BMS 方案 - BMS安全保护基本原理

第三部分是对 BMS 安全保护的一些基本原理的介绍

首先我们做 BMS 的目的

就是防止灾难性的故障发生

燃烧起火是最危险的这样子一个状况

为了防止电芯的一个燃烧和起火

首先它的温度和它的电流就必须去做到监控

它的一个短路的状况

包括内部的电芯短路

Pack 组的一个内部短路

Pack 的外部短路

这三种短路条件

过充会导致电池的同样的一个失效

会引起这个电池的一个老化

甚至说是燃烧、过放

还有就是过热这三个灾难性的故障

对于短路来说

首先 BMS 整个系统

无法去监控到电芯内部的一个短路

所以它对电芯内部的一个内短路来说

是没有办法去做到这样的管理

只能去依靠电芯厂

电芯制造商的一个质量管理

和它在设计上去保证整个电芯

在整个使用环境中能够正常工作

BMS 能够做的去对电芯的一个 Pack 组

它做的一个短路保护

另外就是对过充过放和过热这三个条件的监控

首先对于过充过放

在 Pack 组中我们可以增加运放

或者是 ADC 去做电压的检测

检测到过压或者欠压这样条件发生的时候

对整个电池进行管理

如何进行管理

最简单的方法就是通过我的驱动器

驱动回路的 MOS 管

将整个回路断开

就可以保证电池不会被过充或者过放

由于充和放是两个方向的

需要两个 MOS 去做不同方向的一个路径的切断

而对于过压和欠压点的一个判断的话

通常来说是在过压点上我们会有一个等待时间

有一个恢复时间

并且会设定一个滞环值去保证说不会误触发

同样也会在欠压点做相应的一个措施

对于过流来说

需要去通过电流计去

对整个回路的一个电流进行检测

过流保护分为充电过流、放电过流还有短路

这三个过流条件

分别对应了不同的一个电流方向

以及电流的保护延时时间

短路保护所需要的响应时间是最短的

如何设定不同的短路的阀值以及短路的保护时间

通常在做不同等级的过流的一个设定的时候

越低的一个保护阀值

它的延时时间就越长

越高的这样的一个阀值

它的这个保护时间就响应时间就需要的越快

成一个反函数的关系

另外对于温度的一个监测的话

通常来说会在电池组内放置 NTC

如果对于大型的电池上可能会放多路的 NTC

去监控不同位置的一个温度

这样子一个完整的 BMS 管理系统就展现在大家面前

包括电压测量、温度测量、电流测量

以及一个逻辑控制去驱动回路的一个 MOS

这样子的一个保护我们称它为一次保护

而在一次保护以外

我们通常会做一些冗余的保护

会单独用一个芯片去监测电池电压

去作为一个后备的手段

切断整个回路的一个熔断器

这个比较器也只是用来做一个过压的一个比较

这个我们称之为二次保护

除了对电压电流温度的一个保护之外

对电池品牌来说也会有一些安全性的挑战

那就是一些山寨或者是未经过认证的电池

会对社会造成一些危害

因此电池的认证也是一个需要考虑的因素

首先对电池来说

要有不同的认证机制

从无认证的机制到基于机械结构的一个认证机制

主要是通过模具的一个尺寸的大小和它的形状

来防止不同电池或者是非原装电池的一个使用

但是这个比较容易去模仿

基于电结构的一个认证的话

就是基于 ID 的一个识别

甚至是基于安全加密认证机制这样子的一个认证

在电池组内可以放一个

带安全机制的这样子的一个芯片

通过通讯的方式对它进行一个识别和认证

保证了电池的一个可控性

基于一个安全认证的话

如果是固定 ID 就比较简单

在芯片中是会放置一个 ID 号码

通过这个 ID 号码的识别来对整个电池进行认证

但这个也是比较容易去破解的

对于安全加密机制的这样子的一个认证的话

主机会通过随机码发起一个认证

然后从机设备根据这个随机码

和内部已经存储的私密去计算出一个结果

返回给主机

而主机也会同步的去用这个私密和它的随机码去进行计算

得到的结果如果是相等的

那就认证完成

这个随机的一个过程

它的计算是随机的不可逆推的

类似的芯片有 BQ26100

另外在考虑电池组高压串联的一个电池组的时候

它需要考虑的是电池一个均衡的问题

在串联的过程中

如果串联的电池有任何一节加速老化

这一节电池的电压会偏高

比其他电池要高

那在充电的过程中

这些电池会首先达到它的一个满充电压点

导致它的一个整个电池组无法再进行继续存储容量

在放电的过程中同样

这个老化的电芯会提前到它的一个欠压点

导致其余有容量的一个电芯

无法去释放出自己的容量

主要产生这样子的一个不一致

一个就是电芯的一个本身容量会存在不一致性

第二个是电池在循环的过程中

它的一个荷电状态会存在不一致性

第三个是电芯的一个内阻

也是刚刚可能会提到的

一个电芯会存在一个不一致的一个老化

它的内阻会不一样

导致它的这个电压和在充电和放电过程中

比其它电芯要高或者低

另外一个就是在使用的过程中

整个模组的体积非常大

它的受热是不均匀的

如果在一个电池组过程中

部分的电池处于高温的充放电的情况下

另外的电池可能处在一个

相对较低的一个温度下进行工作的话

这两个位置的电芯它的这个老化会加速

下面对电池安全的一个小节进行设计

对于一个电池来说

它的电芯的本身的特性也是非常重要的

第二个就是在设计我们这个电池的考虑的

需要考虑它的一些工业设计上的一些约束条件

另外一个对于我们的一次保护

是实现产品安全的一个主要手段

用二次保护作为一个冗余或者是最后手段去做

整个设备的安全

最后就是对于这个电池在认证方面

需要去考虑它是否需要进行一个设计

谢谢大家

第三部分是对 BMS 安全保护的一些基本原理的介绍

首先我们做 BMS 的目的

就是防止灾难性的故障发生

燃烧起火是最危险的这样子一个状况

为了防止电芯的一个燃烧和起火

首先它的温度和它的电流就必须去做到监控

它的一个短路的状况

包括内部的电芯短路

Pack 组的一个内部短路

Pack 的外部短路

这三种短路条件

过充会导致电池的同样的一个失效

会引起这个电池的一个老化

甚至说是燃烧、过放

还有就是过热这三个灾难性的故障

对于短路来说

首先 BMS 整个系统

无法去监控到电芯内部的一个短路

所以它对电芯内部的一个内短路来说

是没有办法去做到这样的管理

只能去依靠电芯厂

电芯制造商的一个质量管理

和它在设计上去保证整个电芯

在整个使用环境中能够正常工作

BMS 能够做的去对电芯的一个 Pack 组

它做的一个短路保护

另外就是对过充过放和过热这三个条件的监控

首先对于过充过放

在 Pack 组中我们可以增加运放

或者是 ADC 去做电压的检测

检测到过压或者欠压这样条件发生的时候

对整个电池进行管理

如何进行管理

最简单的方法就是通过我的驱动器

驱动回路的 MOS 管

将整个回路断开

就可以保证电池不会被过充或者过放

由于充和放是两个方向的

需要两个 MOS 去做不同方向的一个路径的切断

而对于过压和欠压点的一个判断的话

通常来说是在过压点上我们会有一个等待时间

有一个恢复时间

并且会设定一个滞环值去保证说不会误触发

同样也会在欠压点做相应的一个措施

对于过流来说

需要去通过电流计去

对整个回路的一个电流进行检测

过流保护分为充电过流、放电过流还有短路

这三个过流条件

分别对应了不同的一个电流方向

以及电流的保护延时时间

短路保护所需要的响应时间是最短的

如何设定不同的短路的阀值以及短路的保护时间

通常在做不同等级的过流的一个设定的时候

越低的一个保护阀值

它的延时时间就越长

越高的这样的一个阀值

它的这个保护时间就响应时间就需要的越快

成一个反函数的关系

另外对于温度的一个监测的话

通常来说会在电池组内放置 NTC

如果对于大型的电池上可能会放多路的 NTC

去监控不同位置的一个温度

这样子一个完整的 BMS 管理系统就展现在大家面前

包括电压测量、温度测量、电流测量

以及一个逻辑控制去驱动回路的一个 MOS

这样子的一个保护我们称它为一次保护

而在一次保护以外

我们通常会做一些冗余的保护

会单独用一个芯片去监测电池电压

去作为一个后备的手段

切断整个回路的一个熔断器

这个比较器也只是用来做一个过压的一个比较

这个我们称之为二次保护

除了对电压电流温度的一个保护之外

对电池品牌来说也会有一些安全性的挑战

那就是一些山寨或者是未经过认证的电池

会对社会造成一些危害

因此电池的认证也是一个需要考虑的因素

首先对电池来说

要有不同的认证机制

从无认证的机制到基于机械结构的一个认证机制

主要是通过模具的一个尺寸的大小和它的形状

来防止不同电池或者是非原装电池的一个使用

但是这个比较容易去模仿

基于电结构的一个认证的话

就是基于 ID 的一个识别

甚至是基于安全加密认证机制这样子的一个认证

在电池组内可以放一个

带安全机制的这样子的一个芯片

通过通讯的方式对它进行一个识别和认证

保证了电池的一个可控性

基于一个安全认证的话

如果是固定 ID 就比较简单

在芯片中是会放置一个 ID 号码

通过这个 ID 号码的识别来对整个电池进行认证

但这个也是比较容易去破解的

对于安全加密机制的这样子的一个认证的话

主机会通过随机码发起一个认证

然后从机设备根据这个随机码

和内部已经存储的私密去计算出一个结果

返回给主机

而主机也会同步的去用这个私密和它的随机码去进行计算

得到的结果如果是相等的

那就认证完成

这个随机的一个过程

它的计算是随机的不可逆推的

类似的芯片有 BQ26100

另外在考虑电池组高压串联的一个电池组的时候

它需要考虑的是电池一个均衡的问题

在串联的过程中

如果串联的电池有任何一节加速老化

这一节电池的电压会偏高

比其他电池要高

那在充电的过程中

这些电池会首先达到它的一个满充电压点

导致它的一个整个电池组无法再进行继续存储容量

在放电的过程中同样

这个老化的电芯会提前到它的一个欠压点

导致其余有容量的一个电芯

无法去释放出自己的容量

主要产生这样子的一个不一致

一个就是电芯的一个本身容量会存在不一致性

第二个是电池在循环的过程中

它的一个荷电状态会存在不一致性

第三个是电芯的一个内阻

也是刚刚可能会提到的

一个电芯会存在一个不一致的一个老化

它的内阻会不一样

导致它的这个电压和在充电和放电过程中

比其它电芯要高或者低

另外一个就是在使用的过程中

整个模组的体积非常大

它的受热是不均匀的

如果在一个电池组过程中

部分的电池处于高温的充放电的情况下

另外的电池可能处在一个

相对较低的一个温度下进行工作的话

这两个位置的电芯它的这个老化会加速

下面对电池安全的一个小节进行设计

对于一个电池来说

它的电芯的本身的特性也是非常重要的

第二个就是在设计我们这个电池的考虑的

需要考虑它的一些工业设计上的一些约束条件

另外一个对于我们的一次保护

是实现产品安全的一个主要手段

用二次保护作为一个冗余或者是最后手段去做

整个设备的安全

最后就是对于这个电池在认证方面

需要去考虑它是否需要进行一个设计

谢谢大家