電動(dòng)車所采用的鋰電池，因其獨(dú)特材料特性，對(duì)過充、過放、過流、短路以及超高低溫充放電等條件都極為敏感。因此，為了確保鋰電池的安全與穩(wěn)定，每塊鋰電池都會(huì)配備一塊精心設(shè)計(jì)的BMS（Battery Management System，即電池管理系統(tǒng)），有時(shí)也被稱為保護(hù)板。

首先，我們來深入探討B(tài)MS的四大核心功能。

（一）感知與測(cè)量

BMS的首要任務(wù)是感知和測(cè)量電池的各種狀態(tài)。這涵蓋了諸多關(guān)鍵指標(biāo)，如電壓、電流、溫度以及SOC（state of charge，即電量狀態(tài)）、SOH（state of health，即電池健康狀態(tài)）等。其中，SOC尤為重要，它直接反映了電池的剩余電量；而SOH則揭示了電池的當(dāng)前健康狀況，當(dāng)其降至80%以下時(shí)，電池便可能不適宜用于動(dòng)力環(huán)境。

（二）告警與保護(hù)

在電池出現(xiàn)異常時(shí)，BMS會(huì)迅速作出反應(yīng)。它可以向監(jiān)控平臺(tái)發(fā)送告警信息，并采取相應(yīng)的保護(hù)措施，以確保電池的安全。這些異常情況可能包括過充、過放、溫度過高或過低等，BMS會(huì)根據(jù)具體情況進(jìn)行相應(yīng)的處理，如切斷充放電回路以防止進(jìn)一步損害。

（三）均衡管理

由于電池生產(chǎn)和使用過程中的不一致性，均衡管理顯得尤為重要。每塊電池都有其獨(dú)特生命周期和特性，這使得不同電池的容量難以完全一致。為了解決這一問題，BMS會(huì)通過均衡管理來確保電池組中各電芯的一致性，從而延長(zhǎng)電池的整體使用壽命。
（四）通信與定位
BMS配備了專門的通信模塊，其核心功能包括數(shù)據(jù)傳輸和電池定位。通過這一模塊，BMS能夠?qū)崟r(shí)將感知和測(cè)量的關(guān)鍵數(shù)據(jù)上傳至運(yùn)營(yíng)管理平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)信息的及時(shí)共享與處理。同時(shí)，電池定位功能則有助于對(duì)電池的狀態(tài)進(jìn)行精準(zhǔn)監(jiān)控和管理。

二、BMS保護(hù)工作原理

BMS的保護(hù)機(jī)制依賴于其內(nèi)部一系列精密的電子元件，包括控制IC、MOS開關(guān)、保險(xiǎn)絲Fuse、NTC熱敏電阻、TVS瞬態(tài)電壓抑制器、電容以及存儲(chǔ)器等。這些元件協(xié)同工作，共同構(gòu)成了BMS的保護(hù)體系。其工作原理可概括為：通過實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)電池狀態(tài)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)異常情況，并迅速啟動(dòng)保護(hù)措施，以確保電池的安全與穩(wěn)定。具體的工作流程和元件作用如圖所示。

上圖中，控制IC通過操控MOS開關(guān)來達(dá)成電路的接通與斷開，從而保障電路的安全，而FUSE則在此基礎(chǔ)上提供了進(jìn)一步的保護(hù)。此外，TH代表溫度檢測(cè)，其內(nèi)部集成了一個(gè)10K NTC熱敏電阻，負(fù)責(zé)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)溫度變化。NTC熱敏電阻主要用于感知溫度，而TVS瞬態(tài)電壓抑制器則主要用于抑制浪涌電壓。

接下來，我們將深入探討一級(jí)保護(hù)電路的工作原理。在圖中，控制IC是核心組件，它負(fù)責(zé)監(jiān)控電池的電壓和回路中的電流，并通過控制MOS開關(guān)來做出響應(yīng)。具體來說，控制IC可以細(xì)分為AFE和MCU兩個(gè)部分：

AFE（Active Front End，模擬前端芯片）是電池采樣芯片，主要負(fù)責(zé)收集電芯的電壓、電流等關(guān)鍵信息。

MCU（Microcontroller Unit，微控制器芯片）則負(fù)責(zé)對(duì)AFE采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算和分析，并根據(jù)結(jié)果發(fā)出控制指令。

這兩部分協(xié)同工作，構(gòu)成了一級(jí)保護(hù)電路的核心機(jī)制。

AFE，作為電池采樣芯片，通常采用6腳設(shè)計(jì)，包括CO、DO、VDD、VSS、DP和VM等引腳。這些引腳各自承擔(dān)著特定的功能：

CO（charge output）負(fù)責(zé)充電控制；
DO（discharge output）則掌控放電控制；
VDD，即電源電壓或輸出電壓，是電壓最高的部分；
VSS，作為基準(zhǔn)電壓，則是電壓最低的所在；
而VM則用于監(jiān)測(cè)MOS兩端的電壓值。

在BMS系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)，CO、DO、VDD會(huì)維持高電平狀態(tài)，而VSS、VM則保持低電平。一旦VDD、VSS、VM中的任何一項(xiàng)參數(shù)發(fā)生變化，CO或DO端的電平也會(huì)相應(yīng)作出調(diào)整。
2. MCU

MCU，即微控制單元，也常被稱作單片機(jī)，憑借其高性能、低功耗、可編程特性以及高靈活性，在眾多領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，包括消費(fèi)電子、汽車制造、工業(yè)控制、通信技術(shù)、計(jì)算機(jī)科學(xué)、家用電器以及醫(yī)療設(shè)備等。在電池管理系統(tǒng)（BMS）中，MCU宛如“大腦”般的存在，它負(fù)責(zé)從傳感器捕獲數(shù)據(jù)，并依據(jù)電池組的配置文件來處理這些數(shù)據(jù)，從而做出明智的決策。此外，MCU芯片還負(fù)責(zé)處理AFE芯片采集的信息，進(jìn)行計(jì)算（如電池的荷電狀態(tài)SOC和健康狀態(tài)SOP等）并發(fā)出控制指令（如MOS的通斷等），因此其對(duì)電池管理系統(tǒng)的性能至關(guān)重要。通過控制MOS，AFE和MCU共同實(shí)現(xiàn)對(duì)電路的有效保護(hù)。
3. MOS

MOS，即Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor，通常被簡(jiǎn)稱為場(chǎng)效應(yīng)管。在電路中，它扮演著開關(guān)的角色，負(fù)責(zé)控制充電回路與放電回路的通斷。由于其導(dǎo)通阻抗非常小，因此對(duì)電路性能的影響可以忽略不計(jì)。在正常工作狀態(tài)下，保護(hù)電路的消耗電流維持在μA級(jí)別，通常不會(huì)超過7μA。
4. BMS一級(jí)保護(hù)的實(shí)現(xiàn)：控制IC與MOS的協(xié)同作用

鋰電池若遭受過充、過放或過流等異常情況，將引發(fā)電池內(nèi)部化學(xué)反應(yīng)失控，嚴(yán)重影響電池性能與壽命，并可能產(chǎn)生大量氣體，導(dǎo)致電池內(nèi)部壓力急劇上升，最終觸發(fā)泄壓閥開啟，電解液噴出，引發(fā)熱失控。為應(yīng)對(duì)這些潛在風(fēng)險(xiǎn)，BMS系統(tǒng)會(huì)啟動(dòng)保護(hù)措施，具體執(zhí)行流程如下：


上述內(nèi)容可以概括為：
BMS系統(tǒng)在監(jiān)測(cè)到鋰電池遭受過充、過放或過流等異常情況時(shí)，會(huì)迅速啟動(dòng)保護(hù)措施，以防止電池內(nèi)部化學(xué)反應(yīng)失控，確保電池性能與壽命不受影響。這些保護(hù)措施包括控制IC與MOS的協(xié)同作用，以實(shí)現(xiàn)對(duì)電池的精細(xì)管理。
（二）二級(jí)保護(hù)電路：三端熔絲Fuse

為了進(jìn)一步增強(qiáng)安全性，我們需要引入二級(jí)保護(hù)機(jī)制。目前，雖然REP（Resistor Embedded Protector，內(nèi)置電阻保護(hù)器）的應(yīng)用較為廣泛，但三端熔絲Fuse因其成本效益優(yōu)勢(shì)，逐漸受到更多關(guān)注。

當(dāng)電流超出安全范圍時(shí)，三端熔絲Fuse會(huì)像普通熔絲一樣熔斷，起到保護(hù)作用。同時(shí)，若MOS運(yùn)行狀態(tài)出現(xiàn)異常，主控會(huì)主動(dòng)控制三端熔絲進(jìn)行熔斷，確保設(shè)備安全。這種二級(jí)保護(hù)電路具有功耗低、響應(yīng)迅速、保護(hù)效果出色等特點(diǎn)，在電動(dòng)車、手機(jī)等眾多設(shè)備中得到了廣泛應(yīng)用。

接下來，我們將探討更高級(jí)的三級(jí)保護(hù)電路，包括NTC和TVS的應(yīng)用。

三、BMS關(guān)鍵器件的國(guó)產(chǎn)化現(xiàn)狀

目前，國(guó)內(nèi)BMS生產(chǎn)制造過程中面臨著一個(gè)核心難題，即相關(guān)核心芯片的研究匱乏，尤其是AFE芯片。寧德時(shí)代董事長(zhǎng)曾毓群坦言，盡管寧德時(shí)代在電池生產(chǎn)過程中避開了美國(guó)的技術(shù)、材料和設(shè)備，但在BMS芯片方面仍存在依賴。

（一）AFE模擬前端芯片市場(chǎng)現(xiàn)狀

從市場(chǎng)份額來看，美國(guó)在AFE芯片領(lǐng)域占據(jù)全球70%的市場(chǎng)份額，其中亞德諾半導(dǎo)體和德州儀器兩家巨頭就占據(jù)了約60%的份額。相比之下，國(guó)產(chǎn)芯片雖起步較晚，但中穎電子、芯?？萍己退既鹌值葟S商正在迅速崛起。

（二）MCU芯片市場(chǎng)現(xiàn)狀

MCU芯片市場(chǎng)同樣被歐美、日本和臺(tái)灣地區(qū)的企業(yè)所主導(dǎo)，NXP、Microchip、ST和infineon等知名企業(yè)占據(jù)超80%的份額。中國(guó)大陸企業(yè)在這一領(lǐng)域所占份額相對(duì)較小，但兆易創(chuàng)新和極海半導(dǎo)體等企業(yè)正在積極追趕。

四、BMS的問題及優(yōu)化方向

BMS并非僅是研發(fā)廠家的責(zé)任，而是涉及電芯廠家、BMS廠家、PACK廠家，特別是換電運(yùn)營(yíng)商的共同任務(wù)。各方的角色和責(zé)任如下：

（一）換電運(yùn)營(yíng)商

換電運(yùn)營(yíng)商與用戶緊密接觸，深諳用戶需求。他們將運(yùn)營(yíng)經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行總結(jié)和固化，為BMS提供寶貴的數(shù)據(jù)支持。因此，換電運(yùn)營(yíng)商在BMS系統(tǒng)中扮演著至關(guān)重要的角色。

（二）BMS廠家

BMS廠家精通電子電路，負(fù)責(zé)根據(jù)電芯性能和換電運(yùn)營(yíng)商的需求，搭建和開發(fā)BMS架構(gòu)。然而，他們對(duì)電芯的深入理解仍需加強(qiáng)，以克服管控策略與電芯實(shí)際之間的差異。

（三）電芯廠家

電芯廠家擅長(zhǎng)化學(xué)領(lǐng)域，為BMS管控提供基礎(chǔ)。但目前，他們還需提升對(duì)電子電路的理解，以優(yōu)化信息采集方式，確保電芯信息的準(zhǔn)確性。

（四）PACK廠家

PACK廠家負(fù)責(zé)將電芯與BMS組裝成電池組，其工藝水平直接影響B(tài)MS功能的實(shí)現(xiàn)程度和準(zhǔn)確性。他們需根據(jù)換電運(yùn)營(yíng)商的要求，從產(chǎn)品質(zhì)量出發(fā)，對(duì)電芯和BMS廠家提出合理要求。

綜上所述，BMS保護(hù)邏輯的設(shè)計(jì)是對(duì)運(yùn)營(yíng)經(jīng)驗(yàn)的積累和固化。而要讓保護(hù)邏輯有效落地，必須以電芯為基礎(chǔ)進(jìn)行電路設(shè)計(jì)，并不斷提升產(chǎn)品的性價(jià)比。各方需在換電運(yùn)營(yíng)商的引領(lǐng)下，發(fā)揮各自的專業(yè)優(yōu)勢(shì)，協(xié)同合作，共同推動(dòng)BMS產(chǎn)品的系統(tǒng)集成與發(fā)展。

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