电池管理系统BMS被动均衡原理详细讲解

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电池管理系统BMS被动均衡原理详细讲解 [复制链接]

 

 

 

在锂电池管理系统中，电池的均衡功能是非常重要的一环，因为它能够确保每个电池单元的电压保持在一个合理的范围内，避免过充或过放，从而延长电池组的寿命和提高安全性。这里我们主要探讨被动均衡的原理，以及它在具体电路设计中的实现方式。

1. 电池均衡的概念

锂电池组通常由多个电池单元串联组成。由于制造工艺差异和使用过程中的不同因素，各个电池单元的容量、内阻和充放电特性都会有所不同，这会导致在长期使用中，电池组中的单个电池电压发生偏差。如果不对这些电压偏差进行纠正，可能会导致某些电池过充或过放，从而损坏整个电池组。

 

电池均衡技术通过调整电池电压，使得每个电池单元的电压保持在一致的水平上。均衡可以分为被动均衡和主动均衡两种方式。

2. 被动均衡的原理

被动均衡（Passive Balancing）是一种相对简单且成本较低的电池均衡方式。它的原理是在电池组中的某些电池电压过高时，通过连接一个电阻，将多余的能量以热量的形式耗散掉，使这些电池的电压降低，从而达到均衡的目的。

电路工作原理：

• 电阻放电： 在被动均衡电路中，通常在每个电池单元上并联一个电阻。通过控制电路（如MOSFET开关），当检测到某个电池的电压高于设定值时，开关导通，电阻开始放电，将该电池的多余电能以热能的形式释放出来，使电压降低。

• 电压检测： 控制电路会持续监测每个电池单元的电压，一旦某个电池的电压回到正常范围（通常是均衡电压），控制电路会关闭该电阻的放电回路，停止耗能。

• 内部均衡与外部均衡： 内部均衡是指在电池管理芯片（如TI的BQ76940或BQ76952）内部实现的均衡功能，通常通过内置的MOSFET和电阻进行；外部均衡则需要外部的MOSFET和电阻来完成，通常能够支持更大的均衡电流。

3. 被动均衡的优缺点

• 优点：

  • 成本低： 被动均衡电路设计简单，主要元件为电阻和控制开关，成本低廉。

  • 电路简单： 相较于主动均衡，被动均衡的电路实现更简单，容易集成到电池管理系统中。

• 缺点：

  • 能量损耗大： 被动均衡的主要缺点是效率低，因为电能被直接转化为热能，浪费掉了。

  • 均衡速度慢： 被动均衡的均衡电流通常较小，因此均衡速度较慢，特别是在电池组中电压差异较大时。

  • 热管理： 由于被动均衡过程中会产生热量，需要考虑热管理问题，避免元件过热。

4. 被动均衡电路设计中的考虑

在设计被动均衡电路时，需要考虑以下几点：

• MOSFET的选择： 在选择用于开关控制的MOSFET时，必须确保其导通电阻足够小，以减少能量损耗。同时，MOSFET的耐压要高于电池组中最高单体电压，避免击穿。

• 均衡电阻的选择： 电阻的阻值决定了均衡电流的大小，需要在效率和均衡速度之间找到平衡。电阻功率要足够大，以承受均衡过程中产生的热量。

• 热管理： 均衡电路产生的热量需要有效散热，避免温度过高影响电路稳定性或损坏元件。设计中可以使用散热片或在PCB布局中增加散热通道。

• 短路和保护措施： 在设计外部均衡时，必须考虑在电池包短路或其他故障情况下的保护机制，如增加熔断器或设计检测电路，以确保电路和电池组的安全。

5. 被动均衡的应用场景

被动均衡通常适用于容量较小、电压精度要求较高但对能量效率要求不高的应用场景，如电动工具、电动自行车、小型储能系统等。这类应用中的电池组规模相对较小，电池单元数目不多，被动均衡能够在合理的时间范围内完成均衡。

6. 总结

被动均衡是一种简单有效的电池电压均衡技术，尽管存在能量损耗和均衡速度慢的缺点，但在许多应用场景中仍然被广泛采用。通过合理的电路设计和热管理，可以在保障电池组安全的前提下，延长电池组的寿命，提升系统的可靠性。

理解被动均衡的工作原理以及设计中的关键点，对于开发可靠、高效的电池管理系统至关重要。

为了更好地理解被动均衡的工作原理及其应用，以下将通过具体的电路示例来详细说明其设计和实现过程。

案例一：四节锂电池串联组的被动均衡设计

假设我们有一个由四节锂电池串联组成的电池组，每节电池的标称电压为3.7V，满电电压为4.2V。我们的目标是设计一个被动均衡电路，以确保每节电池在充电过程中的电压不超过4.2V。

1. 电路元件选择

• 电阻选择：

  • 假设我们希望每个电池单元在充满电时能够通过被动均衡消耗多余的能量。我们选择一个100Ω的电阻来进行均衡，这意味着当电池电压为4.2V时，电阻上的电流为：

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  • I = \frac{V}{R} = \frac{4.2V}{100\Omega} = 42mAI=RV=100Ω4.2V=42mA这个电流虽然不大，但对于一个小型电池组来说，足以在充电过程中逐步消除电压差异。

• MOSFET选择：

  • 我们选择一个N沟道MOSFET（如IRLZ44N），其导通电阻（R_ds(on)）很低，约为0.02Ω，能够承受至少10A的电流，耐压为60V，足够在我们的电池组中使用。

• 控制电路：

  • 控制电路通常由电池管理系统（BMS）芯片负责。这个芯片会监控每个电池单元的电压，当检测到某个电池的电压超过设定的均衡电压（如4.2V）时，芯片会触发MOSFET导通，使电阻与电池单元并联，从而开始均衡过程。

2. 电路工作原理说明

在这个四节锂电池组的被动均衡电路中，每个电池单元的电压通过BMS芯片进行监控。下面是电路的工作步骤：

1. 电池组开始充电： 当电池组开始充电时，四节电池的电压逐渐升高。假设初始状态下，所有电池电压为3.6V。

2. 监控电压： 随着充电过程的进行，某些电池的电压可能会上升得更快。例如，第1节电池的电压在达到4.2V时，而其他电池电压仍然低于4.2V。

3. 均衡启动： 当第1节电池电压达到4.2V时，BMS芯片检测到电压过高，触发第1节电池的MOSFET开关导通，使100Ω电阻与电池并联。这时，第1节电池中的电能通过电阻以热能形式消耗掉，电压开始降低。

4. 均衡结束： 当第1节电池的电压降低至4.15V左右时（假设设置的均衡停止电压），BMS芯片关闭MOSFET开关，停止均衡操作。

5. 其他电池均衡： 类似的，当其他电池电压也达到4.2V时，相应的均衡电路会启动，确保每节电池的电压保持在安全范围内。

3. 具体数值计算和分析

 

 

 

 

4. 实际应用中的优化

在实际应用中，均衡电路可以进一步优化，例如：

• 增加均衡电流： 如果希望加快均衡速度，可以选择更低阻值的电阻，例如50Ω，这会增加均衡电流，但同时也需要考虑散热问题。

• 均衡电压设定： 可以通过调节BMS芯片的均衡电压设定值来决定何时开始和停止均衡，通常均衡电压设定略低于满电压4.2V，例如4.18V，以防止电池在充电完成后出现过充。

• 均衡过程的管理： BMS芯片可以通过多种策略管理均衡过程，如仅在充电后期启动均衡，或者根据电池温度、内阻等因素动态调整均衡策略。

案例二：电动自行车电池组的被动均衡

假设我们有一个用于电动自行车的锂电池组，包含12节电池串联，总电压为48V（每节标称电压为4V）。在这种场景下，被动均衡的设计需要处理更多的电池单元，但基本原理相同。

1. 电路设计

• 选择适合的MOSFET和电阻，每节电池均采用类似上例的均衡电路设计。

• 由于电动自行车电池组容量较大，可能需要提高均衡电流，例如使用47Ω电阻以提高均衡速度。

2. 工作过程

• 充电过程： 当电池组充电到接近满电时，某些电池的电压可能率先超过4.0V，BMS芯片启动均衡，防止过充。

• 均衡启动： 随着充电继续进行，均衡电路在不同电池单元上交替工作，确保整个电池组的电压保持一致。

3. 热管理

由于电动自行车电池组的功率较大，均衡电流较高，因此需要良好的散热设计，可能需要采用散热片或强制风冷以维持元件温度在安全范围内。

总结

通过以上两个具体的电路实例，可以看到被动均衡电路在不同应用中的设计和实现方式。虽然被动均衡在能量利用效率和均衡速度上存在局限，但它的电路简单、成本低廉，适合于多种电池管理系统中。通过合理的设计和优化，被动均衡能够有效提升电池组的安全性和使用寿命。