动力BMS锂电池保护板工作原理详解2021-05-24 08:15
动力BMS锂电池保护板
一、锂电池的构成
锂电池主要由两大块构成，电芯和保护板PCM（动力电池一般称为电池管理系统BMS），电芯相当于锂电池的心脏，管理系统相当于锂电池的大脑。电芯主要由正极材料、负极材料、电解液、隔膜和外壳构成，而保护板主要由保护芯片（或管理芯片）、MOS管、电阻、电容和PCB板等构成。
二、锂电池优缺点
锂电池的优点很多，电压平台高，能量密度大（重量轻、体积小），使用寿命长，环保。
锂电池的缺点就是，价格相对高，温度范围相对窄，有一定的安全隐患（需加保护系统）。
三、锂电池分类
锂电池可以分成两个大类：一次性不可充电电池和二次充电电池（又称为蓄电池）。
不可充电电池如锂二氧化锰电池、锂-亚硫酰胺电池。
四、各种动力电池对比
动力电池主要是更具其应用来考虑的，主要应用在电动电动汽车、电动自行车、电动工具等。
动力电池区别于普通电池又其一定的特殊性：
1.电池的串并联
2.电池的容量较大
3.电池的放电倍率较大（混合动力和电动工具）
4.电池的安全性要求较高
5.电池的工作温度范围较宽
6.电池的使用寿命长，一般要求5~10年
五、BMS功能介绍及分析
1.电池保护，和PCM差不多，过充、过放、过温、过流，还有短路保护。像普通的锂锰电池和三元锂电池，一旦检测到任何一节电池电压超过4.2V或任何一节电池电压低于3.0V系统就会自动切断充电或放电回路。如果电池温度超过电池的工作温度或电流大于电池的放电电流，系统会自动切断电流通路，保障电池和系统安全。
2.能量均衡，整个电池包，由于很多节电池串联，工作一定时间后，由于其电芯本身的不一致性、工作温度的不一致性等原因的影响，最后会表现出很大的差异，对电池的寿命和系统的使用有巨大的影响，能量均衡就是弥补电芯个体之间的差异去做一些主动或被动的充电或放电的管理，确保电池的一致性，延长电池的寿命。
业内一般有被动均衡和主动均衡两类方式，其中被动均衡主要是把电量多的电量通过电阻消耗达到均衡，主动均衡主要是把电量多的电池的电量通过电容、电感或变压器转移到电量少的电池达到均衡。
由于主动均衡系统相对复杂，成本相对较高，主流依然还是被动均衡。
3.SOC计算，电池的电量计算是BMS很重要的一块，很多系统都需要比较精确知道剩余电量的情况。由于技术的发展，SOC的计算积累的很多的方法，精度要求不高的可以根据电池电压判断剩余电量，精确的方法主要的是电流积分法（又叫Ah法），Q=∫idt，还有内阻法、神经网络法、卡尔曼滤波法等。业内主流依然是电流计分法。
4.通信，不同的系统对通信接口的要求不一样，主流的通信接口有SPI、I2C、CAN、RS485等。其中汽车和储能系统主要是CAN和RS485。
BMS系统由于竞争还不充分，加之其系统的复杂性，系统厂商相对较少，相关的芯片厂商也主要是欧美几家大厂，国内有少数几家大公司在研发。未来的机会很多。（下面给大家讲保护板出现不良的分析）
六、保护板不良分析
无显示、输出电压低、带不起负载：
此类不良首先排除电芯不良（电芯本来无电压或电压低），如果电芯不良则应测试保护板的自耗电，看是否是保护板自耗电过大导致电芯电压低。如果电芯电压正常，则是由于保护板整个回路不通（元器件虚焊、假焊、FUSE不良、PCB板内部电路不通、过孔不通、MOS、IC损坏等）。具体分析
步骤如下：
（一）、用万用表黑表笔接电芯负极，红表笔依次接FUSE、R1电阻两端，IC的Vdd、Dout、Cout端，P+端（假设电芯电压为3.8V），逐段进行分析，此几个测试点都应为3.8V。若不是，则此段电路有问题。
1.FUSE两端电压有变化：测试FUSE是否导通，若导通则是PCB板内部电路不通；若不导通则FUSE有问题（来料不良、过流损坏（MOS或IC控制失效）、材质有问题（在MOS或IC动作之前FUSE被烧坏），然后用导线短接FUSE，继续往后分析。
2.R1电阻两端电压有变化：测试R1电阻值，若电阻值异常，则可能是虚焊，电阻本身断裂。若电阻值无异常，则可能是IC内部电阻出现问题。
3.IC测试端电压有变化：Vdd端与R1电阻相连。Dout、Cout端异常,则是由于IC虚焊或损坏。
4.若前面电压都无变化：测试B-到P+间的电压异常，则是由于保护板正极过孔不通。
（二）、万用表红表笔接电芯正极，激活MOS管后，黑表笔依次接MOS管2、3脚，6、7脚，P-端。
1.MOS管2、3脚，6、7脚电压有变化,则表示MOS管异常。
2.若MOS管电压无变化，P-端电压异常，则是由于保护板负极过孔不通。
七、短路无保护
1.VM端电阻出现问题：可用万用表一表笔接IC2脚，一表笔接与VM端电阻相连的MOS管管脚，确认其电阻值大小。看电阻与IC、MOS管脚有无虚焊。
2.IC、MOS异常：由于过放保护与过流、短路保护共用一个MOS管，若短路异常是由于MOS出现问题，则此板应无过放保护功能。
3.以上为正常状况下的不良，也可能出现IC与MOS配置不良引起的短路异常。如前期出现的BK-901，其型号为‘312D’的IC内延迟时间过长，导致在IC作出相应动作控制之前MOS或其它元器件已被损坏。注：其中确定IC或MOS是否发生异常最简易、直接的方法就是对有怀疑的元器件进行更换。
八、短路保护无自恢复
1.设计时所用IC本来没有自恢复功能,如G2J，G2Z等。
2.仪器设置短路恢复时间过短，或短路测试时未将负载移开，如用万用表电压档进行短路表笔短接后未将表笔从测试端移开（万用表相当于一个几兆的负载）。
3.P+、P-间漏电，如焊盘之间存在带杂质的松香，带杂质的黄胶或P+、P-间电容被击穿,ICVdd到Vss间被击穿.（阻值只有几K到几百K）.
4.如果以上都没问题，可能IC被击穿，可测试IC各管脚之间阻值。
九、内阻大
1.由于MOS内阻相对比较稳定，出现内阻大情况，首先怀疑的应该是FUSE或PTC这些内阻相对比较容易发生变化的元器件。
2.如果FUSE或PTC阻值正常，则视保护板结构检测P+、P-焊盘与元器件面之间的过孔阻值，可能过孔出现微断现象，阻值较大。
3.如果以上多没有问题，就要怀疑MOS是否出现异常：首先确定焊接有没有问题；其次看板的厚度（是否容易弯折），因为弯折时可能导致管脚焊接处异常；再将MOS管放到显微镜下观测是否破裂；最后用万用表测试MOS管脚阻值，看是否被击穿。
十、ID异常
1.ID电阻本身由于虚焊、断裂或因电阻材质不过关而出现异常：可重新焊接电阻两端，若重焊后ID正常则是电阻虚焊，若断裂则电阻会在重焊后从中裂开。
2.ID过孔不导通：可用万用表测试过孔两端。
3.内部线路出现问题：可刮开阻焊漆看内部电路有无断开、短路现象。
一、锂电池的构成
锂电池主要由两大块构成，电芯和保护板PCM（动力电池一般称为电池管理系统BMS），电芯相当于锂电池的心脏，管理系统相当于锂电池的大脑。电芯主要由正极材料、负极材料、电解液、隔膜和外壳构成，而保护板主要由保护芯片（或管理芯片）、MOS管、电阻、电容和PCB板等构成。
二、锂电池优缺点
锂电池的优点很多，电压平台高，能量密度大（重量轻、体积小），使用寿命长，环保。
锂电池的缺点就是，价格相对高，温度范围相对窄，有一定的安全隐患（需加保护系统）。
三、锂电池分类
锂电池可以分成两个大类：一次性不可充电电池和二次充电电池（又称为蓄电池）。
不可充电电池如锂二氧化锰电池、锂-亚硫酰胺电池。
四、各种动力电池对比
动力电池主要是更具其应用来考虑的，主要应用在电动电动汽车、电动自行车、电动工具等。
动力电池区别于普通电池又其一定的特殊性：
1.电池的串并联
2.电池的容量较大
3.电池的放电倍率较大（混合动力和电动工具）
4.电池的安全性要求较高
5.电池的工作温度范围较宽
6.电池的使用寿命长，一般要求5~10年
五、BMS功能介绍及分析
1.电池保护，和PCM差不多，过充、过放、过温、过流，还有短路保护。像普通的锂锰电池和三元锂电池，一旦检测到任何一节电池电压超过4.2V或任何一节电池电压低于3.0V系统就会自动切断充电或放电回路。如果电池温度超过电池的工作温度或电流大于电池的放电电流，系统会自动切断电流通路，保障电池和系统安全。
2.能量均衡，整个电池包，由于很多节电池串联，工作一定时间后，由于其电芯本身的不一致性、工作温度的不一致性等原因的影响，最后会表现出很大的差异，对电池的寿命和系统的使用有巨大的影响，能量均衡就是弥补电芯个体之间的差异去做一些主动或被动的充电或放电的管理，确保电池的一致性，延长电池的寿命。
业内一般有被动均衡和主动均衡两类方式，其中被动均衡主要是把电量多的电量通过电阻消耗达到均衡，主动均衡主要是把电量多的电池的电量通过电容、电感或变压器转移到电量少的电池达到均衡。
由于主动均衡系统相对复杂，成本相对较高，主流依然还是被动均衡。
3.SOC计算，电池的电量计算是BMS很重要的一块，很多系统都需要比较精确知道剩余电量的情况。由于技术的发展，SOC的计算积累的很多的方法，精度要求不高的可以根据电池电压判断剩余电量，精确的方法主要的是电流积分法（又叫Ah法），Q=∫idt，还有内阻法、神经网络法、卡尔曼滤波法等。业内主流依然是电流计分法。
4.通信，不同的系统对通信接口的要求不一样，主流的通信接口有SPI、I2C、CAN、RS485等。其中汽车和储能系统主要是CAN和RS485。
BMS系统由于竞争还不充分，加之其系统的复杂性，系统厂商相对较少，相关的芯片厂商也主要是欧美几家大厂，国内有少数几家大公司在研发。未来的机会很多。（下面给大家讲保护板出现不良的分析）
六、保护板不良分析
无显示、输出电压低、带不起负载：
此类不良首先排除电芯不良（电芯本来无电压或电压低），如果电芯不良则应测试保护板的自耗电，看是否是保护板自耗电过大导致电芯电压低。如果电芯电压正常，则是由于保护板整个回路不通（元器件虚焊、假焊、FUSE不良、PCB板内部电路不通、过孔不通、MOS、IC损坏等）。具体分析
步骤如下：
（一）、用万用表黑表笔接电芯负极，红表笔依次接FUSE、R1电阻两端，IC的Vdd、Dout、Cout端，P+端（假设电芯电压为3.8V），逐段进行分析，此几个测试点都应为3.8V。若不是，则此段电路有问题。
1.FUSE两端电压有变化：测试FUSE是否导通，若导通则是PCB板内部电路不通；若不导通则FUSE有问题（来料不良、过流损坏（MOS或IC控制失效）、材质有问题（在MOS或IC动作之前FUSE被烧坏），然后用导线短接FUSE，继续往后分析。
2.R1电阻两端电压有变化：测试R1电阻值，若电阻值异常，则可能是虚焊，电阻本身断裂。若电阻值无异常，则可能是IC内部电阻出现问题。
3.IC测试端电压有变化：Vdd端与R1电阻相连。Dout、Cout端异常,则是由于IC虚焊或损坏。
4.若前面电压都无变化：测试B-到P+间的电压异常，则是由于保护板正极过孔不通。
（二）、万用表红表笔接电芯正极，激活MOS管后，黑表笔依次接MOS管2、3脚，6、7脚，P-端。
1.MOS管2、3脚，6、7脚电压有变化,则表示MOS管异常。
2.若MOS管电压无变化，P-端电压异常，则是由于保护板负极过孔不通。
七、短路无保护
1.VM端电阻出现问题：可用万用表一表笔接IC2脚，一表笔接与VM端电阻相连的MOS管管脚，确认其电阻值大小。看电阻与IC、MOS管脚有无虚焊。
2.IC、MOS异常：由于过放保护与过流、短路保护共用一个MOS管，若短路异常是由于MOS出现问题，则此板应无过放保护功能。
3.以上为正常状况下的不良，也可能出现IC与MOS配置不良引起的短路异常。如前期出现的BK-901，其型号为‘312D’的IC内延迟时间过长，导致在IC作出相应动作控制之前MOS或其它元器件已被损坏。注：其中确定IC或MOS是否发生异常最简易、直接的方法就是对有怀疑的元器件进行更换。
八、短路保护无自恢复
1.设计时所用IC本来没有自恢复功能,如G2J，G2Z等。
2.仪器设置短路恢复时间过短，或短路测试时未将负载移开，如用万用表电压档进行短路表笔短接后未将表笔从测试端移开（万用表相当于一个几兆的负载）。
3.P+、P-间漏电，如焊盘之间存在带杂质的松香，带杂质的黄胶或P+、P-间电容被击穿,ICVdd到Vss间被击穿.（阻值只有几K到几百K）.
4.如果以上都没问题，可能IC被击穿，可测试IC各管脚之间阻值。
九、内阻大
1.由于MOS内阻相对比较稳定，出现内阻大情况，首先怀疑的应该是FUSE或PTC这些内阻相对比较容易发生变化的元器件。
2.如果FUSE或PTC阻值正常，则视保护板结构检测P+、P-焊盘与元器件面之间的过孔阻值，可能过孔出现微断现象，阻值较大。
3.如果以上多没有问题，就要怀疑MOS是否出现异常：首先确定焊接有没有问题；其次看板的厚度（是否容易弯折），因为弯折时可能导致管脚焊接处异常；再将MOS管放到显微镜下观测是否破裂；最后用万用表测试MOS管脚阻值，看是否被击穿。
十、ID异常
1.ID电阻本身由于虚焊、断裂或因电阻材质不过关而出现异常：可重新焊接电阻两端，若重焊后ID正常则是电阻虚焊，若断裂则电阻会在重焊后从中裂开。
2.ID过孔不导通：可用万用表测试过孔两端。
3.内部线路出现问题：可刮开阻焊漆看内部电路有无断开、短路现象。
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