电池管理系统之神奇的BMS(一)

什么是BMS？

首先必须弄懂一个定义，什么是BMS？
　　BMS其实就是BATTERY MANAGEMENT SYSTEM的缩写，中文名字叫电池管理系统，顾名思义，是专门用来进行锂电池运行管理的模块，对象是锂电池。
　　
　　对于一般的终端用户而言，锂电池保护板其实并不存在，或者说，他们并不知道正在自己使用的产品中还有这么一个东西。比如说电动车，100%的用户都知道电动车上面有电池，因为电池提供了能源，但最多有1%的用户知道还有锂电池保护板这个东西的存在。
　　
　　BMS的存在感之所以如此低，完全是因为它并不能和用户产生直接的交流，也并不能与用户发生频繁的交互，就算是偶尔产生了一些数据，不过这些数据也是通过某些仪表盘传递给用户观测，当用户看见仪表盘上的红灯时只会说：“嗯，车子好像是坏掉了，质量真差。”
　　
　　话说回来，BMS虽然存在感低，不过它存在的意义却是丝毫不亚于仪表，甚至可以说是比仪表还重要，因为他可以检测出这辆车子的能源系统是否坏掉了，只有拥有BMS系统，用户才可能在不冒险的情况下知道这辆车到底是好是坏。
　　
　　如果有一个行业内的嵌入式工程师要买一辆电动车，在一辆没有显示仪表和BMS板子的电动车中进行选择，那么他肯定不敢选后者，因为如果电动车没有了仪表，那么用户体验会极差，但如果电动车没有了BMS……与其说是一辆电动车，还不如说是一辆随时可能发生被激活的炸弹。
　　
　　那么BMS在能源领域为什么如此重要？BMS的存在到底有什么意义？

本文便从一个底层工程师的角度，以电动车用的BMS模块作为例子专门对锂电池的保护板设计进行一些探讨，并且会给出一个参考方案，当然由于笔者能力有限，水平一般，如果文中出现了错误或者纰漏，请直接指出。

BMS的大体需求是什么？

当设计团队拿到一个项目，开始开发的时候，首先必须要搞清楚的便是项目的需求，这个需求可不仅仅是老板口头上说几句话，而是需要一个切实的、详细的、标准的文档，文档要以1、2、3为结构，明确的把所有的需求点给罗列出来。

我们现在拿到了一个项目：轨道交通电池系统。

只要项目立项成功，那么作为产品经理，或者团队leader，则列出需求文档是必须要做的事情。
锂电池管理系统，其中重点二字在于“管理”，要想实现管理功能，必然需要两个模块，第一：监测。第二：控制。只有在我能够监测这个系统的前提下，我才能控制这个系统。

由此为核心点，我便可以慢慢的罗列出大致需求：
　　1. 监测能源系统，能够实时读出锂电池的所有状态。
　　2. 控制能源系统，根据锂电池的状态，在需要的时候进行干预（比如断开/闭合充放电回路的MOS管、继电器）。

保护功能如何实现？

数据采集
　　电池系统的大致需求分为采集和控制，那么采集的都会有什么数据？
　　电压
　　电流
　　温度
　　
　　作为一个以管理锂电池的系统而言，以上3点是我们要重点监测的数据，如果系统超级简单，采集的点只有3、4个，那么直接使用MCU的AD接口进行读取信息便可，但在实际中几乎不可能存在这种情况，通常所用的采集的方式一般是使用模拟前端。
系统信息
　　电压：锂电池本身的化学特性决定了我们必须要对电压进行保护，所谓的电压保护，是我们必须要保证锂电池的电压永远在合适的范围之类，不能让电压过低，因为其内部存储电能是靠电化学一种可逆的化学变化实现的，过度的放电会导致这种化学变化有不可逆的反应发生，因此锂电池最怕过放电，一旦放电电压低于2.7V，将可能导致电池永久性损坏，也就是报废。同时也不能让电压过高，因为电池一旦过度充电，导致的危害远远大于过放，过放最多损坏电池，不会对周围造成危害，而过充则可能导致电池温度升高，以至于发生自燃甚至爆炸，这种危害是致命的。
　　
　　电流：所谓的电流保护，也是我们必须要保证，无论是充电还是放电，电流都不能过大，大家都清楚的短路便是过流的一种体现，当系统正负极直接接触，导线电阻极小，导致电流极大，极大的电流又会产生大量的热，从而引发的燃烧和爆炸是很致命的。其实，就算不是短路，但过大的电流依然会导致电池内部发热，这样也极有可能会造成永久性的损害。
　　
　　温度：温度保护不用多言，除开锂电池本身的化学特性导致它不能在极端温度下使用之外，我想任何一个类似的系统，为了安全起见都应该考虑到温度。

看到这里大家也应该明白了，锂电池保护系统的逻辑其实很简单，无非就是一些判断，以及MOS管的控制，这些东西只要通过软件基础功能应该都能实现。

现在将上面的保护细分：

电压保护

一个锂电池包，本身并不是一个整体，如果拆开它的外包装就能发现，它其实是由N个18650电池经过串并连所组成。
　　
　　
　　

比如我们手上的48V20AH的锂电池包，它的组成是，每N个锂电池并联，作为一个子单元，然后在由16个这样的子单元串联，最终才形成一个锂电池包，若论单个18650电池的数量，至少有上百个之多。
　　

由此，如果我们想要监测并且保护系统的电压情况，自然不能简单的只采集一个总体电压，考虑到电池均衡等特性，虽然不用对每个电池进行采集和控制，但作为组成电池包的每一串的单体电压是必须要监测的。
　　
　　如果一个16串的锂电池包，那么需要监控的电压点自然不能低于16个（这就是为什么需要模拟前端的原因，系统采集点过多，一般的MCU不可能满足）。
　　
　　等采集到了单体电压和总电压以后，我们就可以进行逻辑设计了。
　　
　　电压保护相关的项目：
　　
　　1. 总体电压
　　总体过压保护
　　总体欠压保护
　　
　　2. 单体电压
　　单体过压保护
　　单体欠压保护
　　
　　※一般更容易触发的保护当然是单体，如果每一串电池的电压的都没问题，那么总体电压自然也不会有问题。
　　
　　保护过程：系统采集电压量，进行判断，一旦检测到某项指标超过设定的保护值，并且系统的状态符合保护条件（充电时不进行欠压保护，放电时不进行过压保护），然后持续了一定时间（防止抖动），那么断开充放电回路并进行报警，至于是断开充电还是放电，根据实际情况决定。
　　
　　那么保护之后该如何恢复？总不能让电动车一次过充电后就永远报废吧？
　　
　　系统发生了保护，今后自然还有恢复的时候，如果系统发生了单体电压保护，那么可以设定恢复值，等待电压自然恢复到合适范围，并且持续了一定时间以后（防止抖动），便可以重新打开充放电回路。
　　
　　※恢复值和保护值最好不要完全一样，这样可以给系统留出一些余量，也可以防止抖动的发生。
　　
　　以下是关于电压保护简易的逻辑表：

电流保护

电流的保护与电压不同，它自然不会分为总体和单体，下面的锂电池由几个串组成对电流这个信息而言毫无意义，它关心的只是一个在负载/充电机回路上的总体量。
　　

保护过程：电流是有方向的，因此我们在保护中也要考虑到这一点，放电过程中，电流从电池正极流出，经过负载后再回到电池负极，充电过程中，电流从充电机的正极流出，经过了电池后再回到充电机负极，这是两个完全相反的过程。
　　
　　假设我们设定充电过程的电流为正，那么放电时电流必然为负，在保护判断中，等进入了模块后，我们用其绝对值与保护参数比较，当超过正常值时断开充放电回路（电流保护只关心最大值，不用关心最小值），这个过程与电压保护大同小异。
　　
　　※电流过大产生热量累积这是一个持续的过程，所以在电流上一般会有两重保护，第一重保护的设定值比较小，延时时间比较长，第二重保护的设定值比较大，延时时间很短。比如说电流>1A，500ms后保护，电流>5A，10ms后保护。
　　
　　当电流保护发生以后，我们并不能像电压恢复一样实时读取数据，因为一旦我们把充放电回路断开以后，回路上的电流瞬间就变成了0A，要想恢复保护状态，一般有两种条件：第一，不需要人工干预，在经过一段时间之后，自动打开回路，如果此刻依然为过流状态，那么系统又会进入保护，这样反复来个几次，便可以将系统的状态设置为故障了。第二，需要人工干预，等负载或者充电机移除后，打开回路。
　　
　　短路保护其实也是电流保护的一种，只不过当系统短路以后，电流理论上会变成无限大，这样产生的热量也是无限大，如果要等到软件反应过来然后保护，系统说不定早就完蛋了，因此，对于短路保护一般是采用硬件来自动触发，触发后传递给MCU一个信号即可。

温度保护

温度保护比较简单，一般的逻辑就可以实现，温度值有上限也有下限，甚至在细分还可以分为充电时的温度保护以及放电时的温度保护，根据项目的实际需要设计逻辑即可。
　　
　　需要注意的是，在实际的测试中发现，温度是一个比较容易抖动的值（这和选用的传感器有关，比如使用热敏电阻），所以在判断的时候保护值和恢复值一定要做出一个合理的区间，不然系统会不稳定。

均衡控制
　　锂电池系统中除了以上3个正常的保护量之外，还需要有一个保护措施，那便是均衡保护。
　　
　　上面说过，一个锂电池包由N串电池组成，根据化学特性，如果某两串电池的电压相差过大，这就会造成电量的不均衡，比如一串电池的电压是3.6V，另一串电池的电压是2.5V，相差如此之大，那么这样的电池基本上已经可以说是报废了。
　　
　　所以系统中也需要这样的判断，最大单体电压和最小单体电压的差值如果达到了某个极限，导致出现故障的概率极大，那么无论是放电还是充电都不应该在继续进行。
　　
　　为了尽量避免这种情的出现，在BMS系统中就应该设计电压均衡功能。
　　
　　电压均衡分为主动与被动，被动均衡是设计硬件电压，使用电压比较器，当某串电池电压与其它电池电压相比过高时（比如相差达到50ms），或是使用别的元件来消耗掉高电压电池的电量，或是将高电压电池的电量灌入低电压电池中。
　　
　　主动均衡在原理上也一样，只不过可以由程序来控制均衡的更多细节，用串转并的译码器作成开关电路，控制系统只在充电过程中均衡，可以更为灵活的设定均衡的电压阈值等等。

待续……