大功率鋰電池組BMS(電池管理系統(tǒng))保護(hù)板電路介紹

電池管理系統(tǒng)(BMS)是電力巡檢機(jī)器人、電動(dòng)汽車、大型無人遙控車等系統(tǒng)的中一個(gè)越來越重要的關(guān)鍵部分,我國在這方面的研究正在逐步加強(qiáng)。 現(xiàn)有的設(shè)計(jì)方法是采用分立器件，電路復(fù)雜、占用PCB面積大、可靠性低，切不易擴(kuò)展。 因此急需一種通用的設(shè)計(jì)方法，以降低電路復(fù)雜度，同時(shí)適合于大電流、高電壓、電池組數(shù)可變的環(huán)境中。

傳統(tǒng)的BMS板設(shè)計(jì)的時(shí)候通常采用運(yùn)放、MOS管等分立原件構(gòu)成，原理復(fù)雜，成本高，不易調(diào)試、故障率高等缺點(diǎn)。

為了避免現(xiàn)有技術(shù)的不足之處，本文介紹一種大電流BMS保護(hù)板電路，該保護(hù)板適用于機(jī)器人、無人大型遙控車所使用的高壓、大電流使用的鋰電池組。 在此領(lǐng)域使用的這種鋰電池，通常都需要進(jìn)行大電流的充放電，而且對可靠性要求非常高。

一種大電流BMS保護(hù)板電路，其特征在于包括nrF51822芯片、PCB線條設(shè)計(jì)藍(lán)牙天線、電壓及平衡電路LTC6803芯片、隔離芯片ADUM1201、測量輸出電流的ACS758(或***CH704)、光隔離芯片SI8441和232接口電路及各芯片偏置電路; nrF51822芯片通過光隔離芯片SI8441與電壓及平衡電路LTC6803芯片連接，采用SPI總線通訊，電壓及平衡電路LTC6803芯片將采集的各個(gè)電芯的電壓輸出至nrF51822芯片，nrF51822芯片根據(jù)平衡需求通過電壓及平衡電路LTC6803芯片控制各個(gè)電芯的充放電; nrF51822芯片與PCB線條設(shè)計(jì)藍(lán)牙天線連接，通過藍(lán)牙功能與手機(jī)連接; nrF51822芯片通過232通訊線并通過232隔離芯片ADUM1201與上位機(jī)相連接，上報(bào)電芯的各種信息; nrF51822芯片的第五腳連接電池組的充放電電路，輸出PWM信號控制充電器的關(guān)斷、開通及脈沖充電三個(gè)狀態(tài); ACS758(CH704)芯片測量輸出電流，轉(zhuǎn)換成電壓信號輸入nrF51822芯片的A/D引腳。

圖1 與使用環(huán)境的交聯(lián)關(guān)系圖

圖2 電路原理圖

具體實(shí)施方式：

主芯片采用基于NORDIC藍(lán)牙低功耗的2 .4Ghz的nrF51822芯片，主芯片外擴(kuò)多個(gè)外圍芯片實(shí)現(xiàn)多種功能，主芯片外部只需要一個(gè)PCB線條設(shè)計(jì)藍(lán)牙天線就可以實(shí)現(xiàn)藍(lán)牙傳輸功能，芯片上引出1路232接口電路供上層系統(tǒng)傳輸電池信息使用。

LTC6803及其附屬電路實(shí)現(xiàn)電壓采集及平衡功能，LTC6803芯片負(fù)責(zé)采集12路電芯的電壓及平衡電路，LTC6803芯片采集電壓的精度很高，每個(gè)電芯實(shí)測誤差不超過3mV，因此計(jì)算電芯總電壓的時(shí)候可以直接把每個(gè)電芯電壓加起來，當(dāng)需要電壓平衡時(shí)，旁路放電通道也由LTC6803直接控制，旁路放電通道分為內(nèi)部和外部兩部分， 導(dǎo)通的時(shí)候同時(shí)導(dǎo)通，導(dǎo)通電流約為0 .1至0 .3A。

nrF51822核心芯片首先和LTC6803芯片通訊，采集各個(gè)電芯的電壓，計(jì)算出總電壓，當(dāng)單個(gè)電芯電壓超過設(shè)定值，nrF51822芯片控制LTC6803芯片對超限的電芯進(jìn)行放電操作，降低該電芯的電壓值，當(dāng)該電芯電壓正常后，nrF51822芯片關(guān)閉該電芯的放電通道。 當(dāng)總電壓超過總電壓高限設(shè)定值，nrF51822芯片關(guān)閉充電繼電器; 同理，當(dāng)單個(gè)電芯電壓低于設(shè)定值或者總電壓低于總電壓設(shè)定值，nrF51822芯片關(guān)閉放電繼電器以保護(hù)電芯，防止過放的危險(xiǎn)。

采用ACS758(CH704)芯片進(jìn)行隔離的測量輸出電流。 ACS758芯片將電流信號轉(zhuǎn)換成電壓信號輸入nrF51822芯片的A/D引腳。 ACS758的4 ,5串入電池的輸出，4腳接+，5腳接-。

對超限電芯進(jìn)行放電處理是整個(gè)BMS板的核心動(dòng)作，當(dāng)充電快充滿時(shí)，由于需要放電的電芯數(shù)目比較多，如果一直放電操作，這個(gè)時(shí)候LTC6803及相關(guān)電路會(huì)比較熱，為了降低溫度，我采取了分時(shí)平衡算法，利用電芯電壓不能突變，即某個(gè)時(shí)間段平衡電路開始工作，另個(gè)時(shí)間段關(guān)閉平衡電路，這樣既使電芯電壓平衡了，而且平衡電路部分溫度升高的量很少。

文章中提到的CH704芯片是意瑞半導(dǎo)體(上海)有限公司推出隔離集成式電流傳感器芯片，該芯片可以替代Allegro的大電流霍爾電流傳感器ACS756/ACS758/ACS770/ACS772，其中CH704A是滿足汽車級標(biāo)準(zhǔn)的產(chǎn)品，填補(bǔ)了國內(nèi)的空白。

CH704 是專為大電流檢測應(yīng)用開發(fā)的隔離集成式電流傳感芯片。 CH704 內(nèi)置 0.1mΩ 的初級導(dǎo)體電阻，有效降低芯片發(fā)熱支持大電流檢測：±50A, ±100A, ±150A, ±200A。 其內(nèi)部集成獨(dú)特的溫度補(bǔ)償電路以實(shí)現(xiàn)芯片在 -40 到150-°C全溫范圍內(nèi)良好的一致性。 出廠前芯片已做好靈敏度和靜態(tài)(零電流)輸出電壓的校準(zhǔn)，在全溫度范圍內(nèi)提供 ±2% 的典型準(zhǔn)確性。

產(chǎn)品信息如下：

? 隔離電壓：4800VRMS

? AEC-Q100 汽車認(rèn)證 (CH704A)

? 電源：4.5-5.5V

? 輸出電壓與電流成正比：+/-50A,+/-100A,+/-150A,+/-200A

? 帶寬：120kHz

? 響應(yīng)時(shí)間：2us

? 寬溫度范圍：-40-°C 至 150-°C

? 使用 EEPROM 進(jìn)行高分辨率偏移和靈敏度調(diào)整

? 導(dǎo)線電阻：0.1 mΩ

? 集成數(shù)字溫度補(bǔ)償電路

? 幾乎為零的磁滯

? 電源電壓的比例輸出

? 抗外部磁場