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    BMS(兩輪電動車保護板)

    點擊次數:197 更新時間:2023-07-31

    階段以鉛酸電池電動車為主,鋰電池滲透率逐漸提升

    中國兩輪電動車在儲能類型上分為三類:鉛酸電池、鋰電池、氫能源。目前,市面上銷售的兩輪電動車以鉛酸電池為主, 具備技術成熟,價格便宜,可回收利用率高等特點;鋰電池在兩輪電動車中的滲透率不足10%,其主要原因有:1)鋰電 池技術門檻高,研發成本高;2)鋰電池產業鏈不完善,回收以及售后服務環節不足;3)消費者價格敏感,對鋰電池動力 的需求不夠強烈。與鉛酸電池相比,鋰電池擁有壽命長、質量輕、綠色環保、能量密度大等優點,在新國標的促進作用下, 鋰電池在兩輪電動車中的滲透率有望進一步提高。此外,氫能源電池兩輪車產品也在積極的探索與研發中,未來也將成為中國兩輪車市場的重要組成部分。

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    根據“新國標”技術規范,兩輪電動車分為三類 《電動自行車安全技術規范》(GB17761-2018) 強制性國家標準出臺后,長期以來不明確的“電動車”“電動踏板車”被 重新定義,根據《新國標》技術規范,兩輪電動車可劃分為三類:電動自行車、電動輕便摩托車、電動摩托車。電動自行 車:又稱國標車,要求必須具備腳踏騎行功能,蓄電池作為輔助能源,速度不超過25km/h,屬于非機動車。電動輕便摩托 車:由電力驅動,電機額定功率總和不大于4KW,最高設計車速不大于 50km/h的摩托車,屬于機動車。電動摩托車:由 電力驅動,電機額定功率總和大于4KW,最高速度大于50km/h的摩托車,屬于機動車。

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    2020年中國兩輪電動車行業規模達1046億元 2020年,中國兩輪電動車市場規模達1046億元,2021-2023年兩輪電動車的規模增長貢獻主要來自新國標替換產生的銷量 增長。新國標后,低端兩輪電動車產品被淘汰,兩輪電動車產品平均單價有所提升,預計2022年兩輪電動車市場規??蛇_ 1443億元。

    鋰電池能量密度一般為120-180wh/kg,顯著高于鉛酸電池28-40wh/kg。鋰電池符合新國標輕量化需求,以雅迪小叮當系列為例, 鉛酸電池重量17kg,遠高于鋰電池4.7kg。鉛酸版車型若要滿足新國標要求,除電池外其他部件重量不能超過40公斤,這就需要考 慮將車型的尺寸減小或采用輕型材料設計,而輕型材料往往售價高昂。鋰電池另一大優勢在于體積小、可拆卸提出,方便用戶充電, 還能降低電池被盜風險。

    電池管理系統設計概述:

    電池管理系統大的方向講,在電動汽車和混合動力汽車中必不可少,必須對電池進行檢測,才能保證電池正常充放電,防止過充和過放,延長使用壽命,保證續航里程。

    鋰電池能量密度高,電池內部化學物質活性強。當電芯出現過充、過放等非正常使用時,極有可能出現電池損壞,極端情況下,還會導致起火和爆炸。因此,鋰電池需要有一套監控系統,隨時監控鋰電池的電壓,電流等參數,一旦超過事先設定的閾值,則直接關斷電池主回路。

    兩輪電動車BMS 行業內成為兩輪電動車電池保護板

    保護板分為硬件板與軟件板
    所謂硬件板,就是保護板上沒有可以進行編程的芯片,只是按照特定的線路進行連接,保護板的參數是固定的。這一類保護板一般成本較低,功能簡單,很難實現邏輯上的特殊控制要求。而軟件板則是在硬件板的基礎上,加了可以編程的芯片,因此這類保護板除了實現基本功能以外,還能實現很多特殊的功能。只要通過修改程序和添加外設,基本可以實現任何功能。比如遠程引爆車輛中的鋰電池。

    分口與同口保護板

    保護板為了現實保護電池的功能,必須要能夠主動切斷電池主回路。因此,在電池包內部,電池的主回路是要經過保護板的。為了對充電和放電都能進行控制,保護板必須具有兩個開關,分別控制充電和放電回路(姑且這么理解)。在同口保護板中,這兩個開關串在一條線上,接到電池包外部,充電和放電都經過此線。而在分口保護板中,電池分出兩根線,分別接充電開關和放電開關,再接到電池外部。

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    之所以會出現同口和分口保護板,是為了降低成本:一般電動車鋰電池包的充電電流要比放電電流小,如果兩個開關串到一條線上,那么兩個開關就得照著大的買。而分口的話,充電電流小,就可以用一個更小的開關。這里說的開關,其實就是MOSFET,是鋰電保護板的主要成本,而且國內相關產品技術受限,核心部件需要進口。

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    按照串數和持續放電電流大小來分
    串數比較好理解,常見的7串(三元24v),13串(三元48v),17串(三元60v),20串(三元72v)。保護板需要采集每一串電芯的電壓,因此串數不同,保護板是不同的。而電流大小,就是決定了如上所說開關的大?。∕OS數量),對價格的影響很重。

    鐵鋰常見的就是 15/16串48v, 20串60v ,24串72v。我公司就是只做鐵鋰,因為鐵鋰更安全,有更長的壽命,適合出口。當然我們在國內的銷售額也很好。

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    鋰電池體積小、可拆卸提出,方便用戶充電,

    降低電池被盜風險。


    最后就是按照電芯材料來分
    不同的電芯材料,放電截止電壓和充電截止電壓是不一樣的。因此,所使用的保護板也是不一樣的,最常見的就是三元保護板和磷酸鐵鋰保護板,一般三元電芯電壓范圍為2.7-4.2v,而磷酸鐵鋰則是2.5-3.6v。

    他們的主要功能

    過充電壓、過充保護延時、過充恢復電壓過放電壓、過放保護延時、過放恢復電壓


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    下面,我們來看電流保護相關的參數。保護板的電流保護,一方面是防止充電電流太大,另一方面是防止放電電流太大。過大的電流,會傷害電池,也可能燒壞保護板自身。首先,保護板有一個基本的關鍵參數:放電電流和充電電流。該電流是保護板的持續放電或者充電電流,它代表了保護板自己的載流能力,和電池無關。除了該參數以外,保護板還有一對電流參數,即充電保護電流和放電保護電流。顧名思義,就是在充電或者放電過程中,電流超過該值的大小就關斷。同之前的道理一樣,電流的保護也是有延時的,不過電流保護的恢復是自動的,只要電流減小就會自動恢復。

    現在,我們又多了兩組共4個數據和一對單獨的數據:

    放電過流保護電流大小、放電過流保護延時充電過流保護電流大小、充電過流保護延時持續放電電流、持續充電電流


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    短路保護,同過流保護一樣,當電流超過設定值時切斷回路。也有延時控制功能。不過恢復模式有兩種,主動恢復和被動恢復。

    溫度保護,溫度保護分上限溫度和下限溫度,當溫度超出該范圍時,保護板關斷電池。不同的保護板功能不一,有些只有高溫保護,有些高低溫都有。而有些可以設置充電和放電不同的保護溫度。這主要是和保護板所使用的芯片有關。關于具體的東西,后面會更詳細的說一下。


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    上面,我們說了保護板的電壓過充和過放保護,電流過流和短路保護,溫度高低溫保護。其中電壓、電流保護,高溫保護是保護板的基本功能,前兩項更是必不可少的,高溫保護也相對比較重要。下面,我們就來說說保護板的自身參數,比如自耗電和內阻等,他們不起保護作用,但是對電池的性能是有影響的。


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    自耗電

    自耗電分為工作自耗電和靜態(睡眠)自耗電,保護板自耗電的電流一般是ua級別。工作自耗電電流較大,主要為保護芯片、mos驅動等消耗。保護板的自耗電太大會過多消耗電池電量,如果長時間擱置的電池,保護板自耗電可能導致電池虧電。


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    保護板的主回路內阻也是一個很重要的參數,保護板的主回路內阻主要來源于pcb板上鋪設阻值,mos的阻值(主要)和分流電阻的阻值。在保護板進行充放電時,特別是mos部分,會產生大量的熱,因此一般保護板的mos上都需要貼一大塊的鋁片用于導熱和散熱。

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    好了,上面就是一個保護板的基本功能和參數了,除了這些基本功能以外,為了使用不同的應用場景個需求,保護板還有各種各樣的附加功能(如均衡),特別是帶軟件的保護板中,功能更是異常豐富,比如藍牙、wifi、GPS、串口、CAN等應有盡有,再高階一點,就成了電池管理系統了(BMS)。

    鋰電池保護板電流選擇

      1.鋰電池保護板電流是由保護IC檢測電壓和MOS管內阻決定的,如果保護IC無法更改,可以改MOS管,比如DW01與8205MOS,用一顆MOS管是2~5A,用兩顆MOS管并聯電流就會增加一倍?,F在的大容量移動電源有的用3~4顆MOS管并聯。

      2.保護板保護電流=過流檢測電壓/MOS管內阻(由于是兩顆MOS管串聯,計算時MOS管內阻要乘2)

    3.鋰電池選保護板要根據電池的容量來定

    鋰電池保護板選購要點

      為了保護鋰電池組壽命,建議任何時候電池充電電壓都不要超過3.65v,就是鋰電池保護板保護電壓不高于3.65v,均衡電壓建議3.4v-3.5v,電池放電保護電壓一般2.5v以上就可以。

      充電器建議最高電壓為3.5串數,自放電越大,均衡需要時間越長,自放電過大的電芯已經很難均衡,需要剔除。所以挑選鋰電池保護板的時候,盡量挑選3.6v過壓保護的,3.5v左右啟動均衡的。

      總之鋰電池保護板的內阻越低越好,越低越不發熱。保護板限流大小是靠康銅絲取樣電阻決定的,但持續電流能力是mos決定的



    儲能電池管理系統(ESBMS)與動力電池管理系統(BMS)的不同之處

    儲能電池管理系統,與動力電池管理系統非常類似。但動力電池系統處于高速運動的電動汽車上,對電池的功率響應速度和功率特性、SOC估算精度、狀態參數計算數量,都有更高的要求。

    儲能系統規模極大,集中式電池管理系統與儲能電池管理系統差異明顯,這里只拿動力電池分布式電池管理系統與其對比。

    2.1電池及其管理系統在各自系統里的位置有所不同

    在儲能系統中,儲能電池在高壓上只與儲能變流器發生交互,變流器從交流電網取電,給電池組充電;或者電池組給變流器供電,電能通過變流器轉換成交流發送到交流電網上去。

    儲能系統的通訊,電池管理系統主要與變流器和儲能電站調度系統有信息交互關系。一方面,電池管理系統給變流器發送重要狀態信息,確定高壓電力交互情況;另一方面,電池管理系統給儲能電站的調度系統PCS發送最全面的監測信息。

    電動汽車的BMS,在高壓上,與電動機和充電機都有能量交換關系;在通訊方面,與充電機在充電過程中有信息交互,在全部應用過程中,與整車控制器有最為詳盡的信息交互。如下圖所示。

    2.2硬件邏輯結構不同

    儲能管理系統,硬件一般采用兩層或者三層的模式,規模比較大的傾向于三層管理系統。

    動力電池管理系統,只有一層集中式或者兩分布式,基本不會出現三層的情況。小型車主要應用一層集中式電池管理系統。兩層的分布式動力電池管理系統,如下圖所示。

    從功能看,儲能電池管理系統第一層和第二層模塊基本等同于動力電池的第一層采集模塊和第二層主控模塊。儲能電池管理系統的第三層,則是在此基礎上增加的一層,用以應對儲能電池巨大的規模。

    打一個不是那么恰當的比方。一個管理者的最佳下屬數量是7個人,如果這個部門一直擴張,出現了49個人,那么只好7個人選一個組長,再任命一個經理管理這7個組長。超越個人能力,管理容易出現混亂。

    映射到儲能電池管理系統上,這個管理能力就是芯片的計算能力和軟件程序的復雜度。

    2.3通訊協議有區別

    儲能電池管理系統與內部的通訊基本都采用CAN協議,但其與外部通訊,外部主要指儲能電站調度系統PCS,往往采用互聯網協議格式TCP/IP協議。

    動力電池,所在的電動汽車大環境都采用CAN協議,只是按照電池包內部組件之間使用內部CAN,電池包與整車之間使用整車CAN做區分。

    2.4儲能電站采用的電芯種類不同,則管理系統參數區別較大

    儲能電站出于安全性及經濟性考慮,選擇鋰電池的時候,往往選用磷酸鐵鋰,更有的儲能電站使用鉛酸電池、鉛碳電池。而電動汽車目前的主流電池類型是磷酸鐵鋰電池和三元鋰電池。

    電池類型的不同,其外部特性區別巨大,電池模型完全不可以通用。而電池管理系統與電芯參數必須是一一對應的關系。不同廠家出品的同一種類型的電芯,其詳細參數設置也不會相同。

    2.5閾值設置傾向不同

    儲能電站,空間比較富裕,可以容納較多的電池,但某些電站地處偏遠,運輸不便,電池的大規模更換,是比較困難的事情。儲能電站對電芯的期望是壽命長,不要出故障?;诖?,其工作電流上限值會設置的比較低,不讓電芯滿負荷工作。對于電芯的能量特性和功率特性要求都不需要特別高。主要看性價比。

    動力電池則不同,在車輛有限的空間內,好不容易裝下的電池,希望把它的能力發揮到極致。因此,系統參數都會參照電池的極限參數,這樣的應用條件對電池是惡劣的。

    2.6兩者要求計算的狀態參數數量不同

    SOC是兩者都需要計算的狀態參數。但直到今天,儲能系統并沒有一個統一要求,儲能電池管理系統到底必須哪些狀態參數計算能力。再加上,儲能電池的應用環境,空間相對充裕,環境穩定,小偏差在大系統里不易被人感知。因此,儲能電池管理系統的計算能力要求相對低于動力電池管理系統,相應的單串電池管理成本也沒有動力電池高。

    2.7儲能電池管理系統應用被動均衡條件比較好

    儲能電站對管理系統均衡能力的要求非常迫切。儲能電池模組的規模比較大,多串電池串聯,較大的單體電壓差將造成整個箱體的容量下降,串聯電池越多,其損失的容量越多。從經濟效率角度考慮,儲能電站很需要充分的均衡。

    又由于在充裕的空間和良好的散熱條件下,被動均衡能夠更好的發揮效力,采用比較大的均衡電流,也不必擔心溫升過高問題。低價的被動均衡,可以在儲能電站大展拳腳。


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