锂离子电池管理和保护模块(BMS)拆卸-原理图，零件清单和工作

在本文中，我们将学习440a电池管理系统(BMS)的功能和工作原理，我们将研究该模块的所有组件和电路。我已经对这个模块进行了完整的逆向工程，以了解它是如何工作的，以便我可以展示BMS是如何工作的。我们还有另一篇文章和视频我们测试了这个BMS的安全参数。下图显示了电池组，它也有一个电压表，负载(灯泡)和充电器的母直流插孔，你可以在这里阅读更多关于它。

这个BMS有3个版本，标准版本，增强版本和平衡版本。

我们将着眼于平衡版本。平衡版本有4个能够负载平衡的电阻，这个功能在其他版本中是不可用的。标准版本和增强版本几乎相似，只是一个无源元件的差异，这些变体不能主动平衡细胞，而平衡版本有平衡细胞的电路。

4S 40A BMS电路图保护特性

BMS对于延长电池的使用寿命和保护电池组免受任何潜在危险至关重要。4s 40A电池管理系统提供的保护功能有：

•细胞平衡

•过电压保护装置

•短路保护

•低电压保护装置

BMS电路图

利用KiCAD软件设计了该系统的原理图。本文稍后将对原理图进行完整的解释。

BMS与电池组的连接

BMS模块有一个整洁的布局，标记用于连接BMS与电池组中的不同点。下图显示了我们需要如何将cell与BMS连接起来。

BMS就像4个独立单元的4个独立模块，然后这4个模块与晶体管和无源元件非常巧妙地集成在一起，形成一个完整的BMS，能够提供高达40A的电流，并保护单个单元的参数。

深入挖掘BMS

BMS有2个ic， DW01和BB3A;该BMS的某些变体可能具有来自不同制造商的相同或类似的ic。但所有的ic将有相同的引脚和功能。我稍后会讨论这两个ic。下图显示了BMS中负责不同操作的部分。

从上图中可以清楚地看出，一个IC负责过压、过流和短路保护，该IC是DW01-A，而另一个IC BB3A负责电池平衡。

DW01-A：电池保护IC

DW01-A是一款1芯锂离子/聚合物电池保护IC，它负责BMS的所有保护功能。每个单元连接1个DW01-A，用于监视特定单元的运行状况。它采用6针sot-23-6包装。您可以参考IC的数据表来查看功能图和其他数据。它有一个内部分压器电路，负责测量电池的欠压和过压。通过比较CS引脚输入和VSS之间的电压来检测短路和过流。

DW01-A电气特性

任何集成电路的工作取决于它是如何设计的，这是由制造商给出的，DW01的电气特性如下表所示：

保护电路

此电池组的保护电路如图所示。其中，bat +和S3分别表示电池的正极和负极。IC使用VCC和接地引脚之间的内部分压器电路测量电池电压，并根据上面所示的电气特性表控制过放电(OD)和过充电(OC)引脚，从而控制下图中的晶体管Q2和Q3。

DW01-A通过测量电流检测引脚处的电压来持续监测过流或短路。在短路的情况下，电压超过VSIP，故障，即短路被抑制通过关闭放电控制MOSFET。过流的解释将在本文后面给出。

在上图中，您可以观察到VSS引脚与电阻器R24连接到电池的正极，VSS和VDD有一个并联电容器C1。电容器和电阻器对于抑制来自充电器的波纹和干扰是必不可少的。

HY2212 BB3A：电池平衡IC

说到电池平衡电路，该电路的核心是HY2212 BB3A， 1节锂离子/聚合物电池充电器平衡IC，该IC能够通过电电平监测来主动平衡电池，它包括一个非常高精度的电压检测电路和延迟电路。

HY2212系列是为单电池锂离子电池而设计的，也可以用于具有单个电池的多电池包。它具有电荷平衡控制，电电平监测IC，还包括高精度电压检测电路和延迟电路。IC的功能框图如下所示，IC有一个分压器电路连接到输入VSS和VDD， VDD被馈送到过充电检测比较器，用于控制增强MOSFET。您可以参考IC的数据表来查看该IC的内部框图。它有一个非常简单的电路，仅使用电压检测比较器测量电压并给出输出。输出用于控制MOSFET的栅极。可以使用p型或n型MOSFET，两种MOSFET的有效工作如下表所示。

在这个BMS中，正在使用一个n通道BMS，然后连接到480欧姆的电阻，BMS中使用的电路如下图所示：

在上述电路中，与该IC一起使用的MOSFET是A2SHB，这是一个n通道增强MOSFET。当BB3A引脚6的输出引脚向该增强型MOSFET的栅极发出高信号时，MOSFET通过该480欧姆电阻连接低电阻路径，该电阻充当负载电阻并开始耗尽电池。

用欧姆定律可以很容易地求出放电速率。Ohm’s law. V=IR

因此，电池可以以每小时91毫安的速率放电。我们可以通过改变电阻器的值来改变放电速率。

全4S 40A BMS电路图

上图显示了BMS电路的完整电路图，如上所述，该电路可以分为更小的模块，用于平衡和监控每个单元。

如下图所示，我们可以看到平衡器IC与电池并联连接。同样，电池充电IC， DW01也并联连接到电池上。

如上所述，DW01的VSS和VDD分别接在电池的负极和正极上，作为电流检测引脚的引脚2接在负轨上。根据从电流检测引脚接收到的输入，控制过充和过放晶体管。

440a BMS电路是如何工作的?

AOD472的10个MOSFET实际上连接为2组，每组5个MOSFET。第一组负责过流保护，另一组负责过放保护。电路中的所有电池都可以触发过流或过放电保护，这是由于不同电池的电池健康状况以不同的速率退化所必需的。所有并联mosfet的栅极都连接在一起，源引脚也连接在一起，以便一起触发它们。所有10个mosfet都有它们的漏极引脚连接在一起，这意味着电路只有在所有mosfet处于on状态时才会工作，否则没有电流流过，电池组此时既不会为输出供电也不会充电。

为什么要连接多个mosfet ?

由于BMS是为钻机电机操作而设计的，因此启动电流通常高于额定电流。电机启动电流可高达额定电流的4-8倍。当电机加速并达到其同步或基本速度时，电流减小并回到其额定速度。因此，即使它的额定功率为40A，如果连接一个消耗约40A的500w电机，浪涌电流可以在很短的时间内高于240安培，因此多个mosfet并联连接。

注意：当并联放置MOSFET时，请确保所有MOSFET具有非常接近的实际vgs (TS)值，因为您希望所有并联的MOSFET同时导通，以避免损坏MOSFET。

上图显示了当所有mosfet处于On状态时的电流流。来自电池的电流流经电池组和来自MOSFET AOD 472的串并联连接。

控制mosfet

mosfet通过控制DW01 IC的过充和过放引脚来控制。左侧mosfet的源连接到地，DW01的电流检测引脚与源连接，因此当有短路或过电流被DW01 IC检测到时，它打开Q9，打开晶体管对，向栅极终端发出信号，从而关闭mosfet。

负责保护电池组不受过充电影响的右一对mosfet的栅极连接到电池组的正极。当电池过充电时，DW01 IC将使用内部电位分压器电路检测过充电情况，并打开OD晶体管。

在这种情况下，IC 1将打开晶体管Q2，电流的流动将打开Q21，连接负责过充电保护的并联mosfet组合的栅极与地，从而将其关闭，从而断开整个电路。下图显示了DW01 IC在充电状态下的工作情况。

4s40a BMS模块的部件介绍

来看看BMS的组件，BMS有2个IC， DW01-A是电池保护IC， BB3A是电池平衡IC。除了2个IC，我们还有这个组件，文本G1是MMBT5551，高压NPN晶体管，2L是高压PNP晶体管，PMST5401除此之外，我们还有一个肖特基整流器，在底部我们有10个n沟道增强MOSFET D472, 2组并联的5个MOSFET串联在一起，可以实现高电流传输，是过流保护和过充电保护的一个非常重要的组件。

BMS中使用的所有组件如下表所示：

4S 40A BMS模块保护特性

如上所述，BMS模块具有保护电池组的所有必要功能，它提供过充电保护，过放电保护，短路保护以及电池平衡。有关保护功能的更多细节如下。

过度充电状态

当电池充电超过安全充电电压时，电池的健康状况会受到影响，电池的生命周期会缩短。为了防止电池过度充电，BMS采用了过度充电保护机制，将电池组与充电器断开连接。过充保护的工作原理如下图所示。

从上图可以看出，当充电器连接时，电池电压继续增加，一旦超过VOCP(过充保护电压)，它就等待TOC(过充延迟时间)并打开过充保护晶体管，从而关闭过充保护mosfet。IC不会关闭OC引脚，除非电池的电压低于VOCR(电池过充电释放电压)。

过放电状态

当电池电压低于安全工作电压时，电池的健康状况就会受到影响，电池的生命周期也会缩短。为了防止电池过度放电，BMS采用过度放电保护。过放电保护的工作原理如下图所示

从上图中可以看出，当负载连接时，电池电压继续降低，并且一旦进入VODP(过放电保护电压)，它就会等待TOD(过放电延迟时间)并打开过放电保护晶体管，从而关闭过放电保护mosfet。因此没有电流流过BMS。直到电池不充电，电池的电压不超过VODR(过放电释放电压)，BMS不允许使用电池组，从而增加了我们的电池组的寿命。

上图显示了过放电条件下的电流流动。正如你所看到的，晶体管是并联的，因为当晶体管并联时，它们就像一个大晶体管，可以处理更大的电流。

并联晶体管

过流保护

BMS中的过流保护是必要的，当发生短路故障或负载电流高于电池组规格时，可以保护电池系统不发生过流或短路。这种情况会影响细胞的健康，甚至对细胞造成损害，导致火灾。为了保护电池免受过流，BMS采用过流保护。过流保护的工作原理如下图所示

在正常情况下，CS引脚通过不断监测CS引脚的电压来监测放电电流。当单元的电流需求激增并且CS引脚中的电压超过VOIP(过流保护电压)超过TOI1(过流延迟时间)时，过流保护电路运行并关闭OC MOSFET，从而断开电路。过流放电保护只有在负载释放或正负极间电池阻抗大于500k欧姆时才解除。

结论

440a BMS是一种经济且非常有效的模块，可以保护锂离子电池免受损坏。该设计可以修改，以用于更高或更低数量的细胞，使其成为一个非常通用的设计。BMS中使用的组件很容易获得，市场上有很多替换部件，这使它成为您下一个项目中非常好的BMS。

本文编译自circuitdigest