電動車所采用的鋰電池，因其獨特材料特性，對過充、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，每塊鋰電池都會配備一塊精心設(shè)計的BMS（Battery Management System，即電池管理系統(tǒng)），有時也被稱為保護板。

首先，我們來深入探討B(tài)MS的四大核心功能。

（一）感知與測量

BMS的首要任務(wù)是感知和測量電池的各種狀態(tài)。這涵蓋了諸多關(guān)鍵指標，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則揭示了電池的當前健康狀況，當其降至80%以下時，電池便可能不適宜用于動力環(huán)境。

（二）告警與保護

在電池出現(xiàn)異常時，BMS會迅速作出反應(yīng)。它可以向監(jiān)控平臺發(fā)送告警信息，并采取相應(yīng)的保護措施，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會根據(jù)具體情況進行相應(yīng)的處理，如切斷充放電回路以防止進一步損害。

（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會通過均衡管理來確保電池組中各電芯的一致性，從而延長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將感知和測量的關(guān)鍵數(shù)據(jù)上傳至運營管理平臺，實現(xiàn)信息的及時共享與處理。同時，電池定位功能則有助于對電池的狀態(tài)進行精準監(jiān)控和管理。

二、BMS保護工作原理

BMS的保護機制依賴于其內(nèi)部一系列精密的電子元件，包括控制IC、MOS開關(guān)、保險絲Fuse、NTC熱敏電阻、TVS瞬態(tài)電壓抑制器、電容以及存儲器等。這些元件協(xié)同工作，共同構(gòu)成了BMS的保護體系。其工作原理可概括為：通過實時監(jiān)測電池狀態(tài)，及時發(fā)現(xiàn)異常情況，并迅速啟動保護措施，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)上提供了進一步的保護。此外，TH代表溫度檢測，其內(nèi)部集成了一個10K NTC熱敏電阻，負責實時監(jiān)測溫度變化。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保護電路的工作原理。在圖中，控制IC是核心組件，它負責監(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可以細分為AFE和MCU兩個部分：

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

MCU（Microcontroller Unit，微控制器芯片）則負責對AFE采集的數(shù)據(jù)進行計算和分析，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)成了一級保護電路的核心機制。

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

CO（charge output）負責充電控制；
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，作為基準電壓，則是電壓最低的所在；
而VM則用于監(jiān)測MOS兩端的電壓值。

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

MCU，即微控制單元，也常被稱作單片機，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，包括消費電子、汽車制造、工業(yè)控制、通信技術(shù)、計算機科學(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，它負責從傳感器捕獲數(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芯片還負責處理AFE芯片采集的信息，進行計算（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共同實現(xiàn)對電路的有效保護。
3. MOS

MOS，即Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor，通常被簡稱為場效應(yīng)管。在電路中，它扮演著開關(guān)的角色，負責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，因此對電路性能的影響可以忽略不計。在正常工作狀態(tài)下，保護電路的消耗電流維持在μA級別，通常不會超過7μA。
4. BMS一級保護的實現(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)對這些潛在風險，BMS系統(tǒng)會啟動保護措施，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)測到鋰電池遭受過充、過放或過流等異常情況時，會迅速啟動保護措施，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。這些保護措施包括控制IC與MOS的協(xié)同作用，以實現(xiàn)對電池的精細管理。
（二）二級保護電路：三端熔絲Fuse

為了進一步增強安全性，我們需要引入二級保護機制。目前，雖然REP（Resistor Embedded Protector，內(nèi)置電阻保護器）的應(yīng)用較為廣泛，但三端熔絲Fuse因其成本效益優(yōu)勢，逐漸受到更多關(guān)注。

當電流超出安全范圍時，三端熔絲Fuse會像普通熔絲一樣熔斷，起到保護作用。同時，若MOS運行狀態(tài)出現(xiàn)異常，主控會主動控制三端熔絲進行熔斷，確保設(shè)備安全。這種二級保護電路具有功耗低、響應(yīng)迅速、保護效果出色等特點，在電動車、手機等眾多設(shè)備中得到了廣泛應(yīng)用。

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

三、BMS關(guān)鍵器件的國產(chǎn)化現(xiàn)狀

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

（一）AFE模擬前端芯片市場現(xiàn)狀

從市場份額來看，美國在AFE芯片領(lǐng)域占據(jù)全球70%的市場份額，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芯片市場現(xiàn)狀

MCU芯片市場同樣被歐美、日本和臺灣地區(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。中國大陸企業(yè)在這一領(lǐng)域所占份額相對較小，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)廠家的責任，而是涉及電芯廠家、BMS廠家、PACK廠家，特別是換電運營商的共同任務(wù)。各方的角色和責任如下：

（一）換電運營商

換電運營商與用戶緊密接觸，深諳用戶需求。他們將運營經(jīng)驗進行總結(jié)和固化，為BMS提供寶貴的數(shù)據(jù)支持。因此，換電運營商在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，負責根據(jù)電芯性能和換電運營商的需求，搭建和開發(fā)BMS架構(gòu)。然而，他們對電芯的深入理解仍需加強，以克服管控策略與電芯實際之間的差異。

（三）電芯廠家

電芯廠家擅長化學(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，確保電芯信息的準確性。

（四）PACK廠家

PACK廠家負責將電芯與BMS組裝成電池組，其工藝水平直接影響B(tài)MS功能的實現(xiàn)程度和準確性。他們需根據(jù)換電運營商的要求，從產(chǎn)品質(zhì)量出發(fā)，對電芯和BMS廠家提出合理要求。

綜上所述，BMS保護邏輯的設(shè)計是對運營經(jīng)驗的積累和固化。而要讓保護邏輯有效落地，必須以電芯為基礎(chǔ)進行電路設(shè)計，并不斷提升產(chǎn)品的性價比。各方需在換電運營商的引領(lǐng)下，發(fā)揮各自的專業(yè)優(yōu)勢，協(xié)同合作，共同推動BMS產(chǎn)品的系統(tǒng)集成與發(fā)展。

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