高压直流锂离子电池管理系统讨论及请教
本帖最后由 qilin3 于 2014-9-16 13:00 编辑本人从事锂电池管理行业已经接近5年，从手机电池保护板做起，移动电源，12V通讯备用BMS，24V太阳能BMS，36V ~48V 电动自行车BMS，之后是48V通讯备用BMS，去年公司需求240V高压直流管理系统。在网上也苦找不到资料，而且本人在高压方面是菜鸟，因此硬着头皮上。利用以前的48V研发经验，搞了一套可任意串并联的电池管理系统，支持将48V电池管理模块任意串并联，3个月后交了差。运行了一年设备经过一次的检修，现在还在运行。
系统架构图示如下：
电池管理模块（图一）
任意并联的电池管理系统组合示意（图二）
任意串联的电池管理系统组合示意（图三）
反接保护单元内部组成示意（图四）
为防止MOSFET 击穿造成不可控故障，我选择了40A二极管，做短暂的反向保护。
系统检测到任意电池管理模块保护，就将整个240V系统关闭。
隔离监控及受控单元组成示意（图五）
中心管理模块组成示意（图六）
控制方法及功能描述：（申请了专利，从专利文档摘过来的{:lol:} ）
电池管理模块与目前市面上的电池管理系统接近，但是增加了图1中的虚线部分,即隔离监控及受控单元和反接保护单元。隔离监控及受控单元采用一种无延时的电池包状态监控及受控机制，使得中心管理模块可快速的获取所有连接的电池管理模块的状态，同时也可使电池管理模块快速接收由中心管理模块发出的控制信号。电池管理模块解析信号后，马上进行相应的保护。 反接保护单元可保护电池模块管理单元在接入反向电压的时候可正常保护不损坏。特别是在电池管理模块串联使用时，若某一个模块发生异常保护，那么剩余的可正常工作的电池管理模块会与负载串联形成反向电压叠加到保护的电池管理模块上，此时反向保护单元可保护该电池管理模块不损坏。
中心管理模块通过隔离监控及受控单元可获取所有的电池模块管理系统的状态，并快速的计算组合成的电池组状态，若异常则也是通过该单元下发控制信号，将所有电池模块管理系统全部进行保护。模块恢复正常后，中心管理模块也可通过该单元进行对电池管理模块进行统一的恢复。
反接保护单元内部组成示意如图4所示，可使用大功率二极管，反向连接至电池组输出P+、 P-上，如图4 a中所示，反向接入电压后，二极管导通，从而保护电池管理模块。由于二极管导通是有压降，因此当反向电流较大时，器件会有较大的发热量，若没有良好的散热措施配合，可能会损坏器件，而使反接保护功能失效。此时可采用图4 b中的反向电压检测电路，通过运算放大器或比较器组成反向电压检测电路，当检测到反向电压时，发出信号驱动开关器件闭合，开关器件可使用MOSFET、IGBT、继电器、SCR等。该类开关器件会有更低的导通电压，同时也会有更低的发热量，因此会有更可靠的反接保护性能。
隔离监控及受控单元组成示意如图5所示，总共传输3类信号：保护状态信号，通讯信号，受控信号组成。信号与外部连接都需要使用隔离器隔离，隔离器可用光耦、隔离芯片、变压器、隔离电容、微波等实现。该信号连接至中心管理模块供监控与控制。其中中心管理模块通过通讯信号获得电池包的详细信息，如电压、电流、温度等，通过保护状态信号无延时的获得所连接的电池包的运行状态。当电池包运行正常时，保护状态信号输出高电平，任意电池管理模块异常时输出低电平，此时保护状态信号总线会被下拉成低电平，图6的中心管理模块中的MCU检测到异常后，通过隔离受控信号发出低电平，所有的电池管理模块可无延时地收到信号，并马上进行BMS保护。同理，当所有的电池管理模块正常后，保护状态信号总线会输出高电平，中心管理模块MCU在检测到系统正常后，通过隔离受控信号发出高电平，所有的电池管理模块可无延时地收到信号，并马上进行BMS的恢复。使得整个串联或并联的电池管理系统协同工作。
中心管理模块的组成示意如图6所示，除了接受处理隔离监控信号及控制信号外，还可整合所有连接的电池管理模块的信息，并通过LCD或LED等人机交互界面显示，以方面维护人员监控电池管理系统的实时状态。同时具有通信单元，可连接至外部主机监控电池管理系统状态。
c) 如图2及图3所示，多个电池管理模块中的隔离监控及受控单元信号通过信号连接器连接至总线，最后连接至中心管理模块。
d) 多个电池管理模块在操作前必须要通过上位机软件独立的地址编码，以方便中心管理模块识别，之后可进行任意组合。组合完毕后通过上位机告知中心管理模块目前的组合及对应的地址编码关系，电池管理系统即可正常运行。中心管理模块可以监控及控制所有连接进来的电池管理模块，可使它们协同工作并进行统一的保护，成为一个整体的电池管理系统。
若不需要串联或并联应用时电池管理模块也可独立的成为电池管理系统。具有完善的电池监控及保护功能。
该方案是在当时的条件下完成的，现在看来是有很多弊端的。管理系统太庞大，器件太多，任意故障都会使得整个系统关闭。内部的器件都是使用75V耐压的，有较多的低压MOSFET，被击穿后有可能会引起不可能的连锁反应。
因此现在想换成集中管理的方案，架构如下：
AFE芯片采用凌特或ADI公司的，但是主开关用什么类型器件，或具体型号我都还在摸索阶段，还有一些控制的机制都还未成熟，坛友们有兴趣可以一起讨论。；） 一不留神，是个沙发咧 mark下慢慢看 锂电过热是不是很容易爆的？？ 多组串联情况下 你MOS选多少V耐压的 串联有风险 凌特貌似比较好点，可能推广多吧，IGBT吧 一般做开关 pensty 发表于 2014-9-16 13:42
锂电过热是不是很容易爆的？？
锂电池的特性必须要在一定的电压，电流，温度 范围内应用，超过了就有风险。BMS就是来保证电池在这几个范围内应用的。；） xh89595009 发表于 2014-9-16 13:44
多组串联情况下 你MOS选多少V耐压的 串联有风险
240V总共75S，15S一个模块。MOSFET选用75V的，放在15S内做保护开关，我做了各种保护实验（过充，过放，短路，过流），MOSFET没有击穿，因为我的这个机制保证了所有MOSFET是在较短的延时内一起关闭的。对于每一颗串联的MOSFET 都是没有过压的。 qilin3 发表于 2014-9-16 14:33
240V总共75S，15S一个模块。MOSFET选用75V的，放在15S内做保护开关，我做了各种保护实验（过充，过放，短 ...
你是靠CAN通讯来同步开关MOS？ 时间能保证到MSUS ？电压击穿很快啊 xh89595009 发表于 2014-9-16 14:43
你是靠CAN通讯来同步开关MOS？ 时间能保证到MSUS ？电压击穿很快啊
不是靠通讯，而是靠隔离硬件信号，有一个模块保护，所有的模块都保护了。 还是感觉这样串联控制风险高，不如一个高压接触器可靠，缺点就是功耗大，不过可靠性比这几十个MOS好多了 xh89595009 发表于 2014-9-16 14:54
还是感觉这样串联控制风险高，不如一个高压接触器可靠，缺点就是功耗大，不过可靠性比这几十个MOS好多了 ...
恩，我也知道这个风险。所以用了方案二，目前正在设计阶段。；）有没有高压触电器的型号推荐？以前有接触过一些日本的继电器，价格都是k以上的。 好的就是欧姆龙和松下EV系列都在1500左右，国产是有仿的三分之一价格左右，性能就不确定了，都说是给松下代工的 xiangzhi28 发表于 2014-9-16 14:15
凌特貌似比较好点，可能推广多吧，IGBT吧 一般做开关
IGBT 通大电流，热量比较高，备用电池系统用于备电场合，一般是不做主动散热的。 qilin3 发表于 2014-9-16 17:41
IGBT 通大电流，热量比较高，备用电池系统用于备电场合，一般是不做主动散热的。 ...
如果上百安培电流，发热量肯定大。接触器之类的会有电弧吧。汽车上不知道用IGBT多还是什么的多。 240V的BMS应该找电动汽车方面的资料
国内还有几个专门开发BMS的公司 newbie 发表于 2014-9-16 18:18
感觉这样选用MOS耐压不靠谱。
就算是硬件同步也不能完全赶得上故障时的击穿速度。 ...
MOSFET上并联了大电容，一定程度缓解了瞬间过压击穿的可能性。但是仅是一定程度，；） 最后的方案靠谱，思路基本跟我们的电动车BMS系统一致，提两个建议：
1、P-增加一个继电器，继电器我们目前选用的是泰科车用高压大电流继电器，600V/300A，价格确实是K级别的。
2、不建议用一套控制器来直接对75S的电池进行电压采集和均衡，最好分成每5到10个一组，以每组电压不超过60V为宜；每组的电压采集和均衡独立控制，MX、ADI、LT等都有相应的方案，我们用的是LT的6802，下一步准备升级到6804。各个控制器与主控用485或者CAN总线连接。 dreampet 发表于 2014-9-17 08:41
最后的方案靠谱，思路基本跟我们的电动车BMS系统一致，提两个建议：
1、P-增加一个继电器，继电器我们目前 ...
非常感谢你的建议。
P- 为什么要再增加继电器呢？做二重保护？还是为了同时关断灭弧用？
另外你说的 “各个控制器与主控用485或者CAN总线连接。”，LT之类的器件不是本身就支持级联吗？级联时他们本身的通讯速度是很快的，直接挂上外部的MCU就可以获取所有级联的电池信息了。或者你的意思是说一颗LT的芯片就要挂一颗MCU，然后再和主MCU通讯？这样成本不是增加了很多？还是有一些其他好处？ qilin3 发表于 2014-9-17 08:56
非常感谢你的建议。
P- 为什么要再增加继电器呢？做二重保护？还是为了同时关断灭弧用？
另外你说的 “各 ...
1.如果你的P-是跟大地接一起的，那不需要考虑；否则240V需要考虑触电的危险。跟灭弧没有关系，实际上你整个系统设计上是要避免带载切断的，我们如果记录到超过3次以上的带载切断，车辆就要去保养换继电器了。
2.用芯片本身的SPI接口级联没有问题，但受制于芯片本身的功能限制，我们是外挂了一片单片机，灵活很多。 我想请教了一下楼主：这么多电池串联，需要做隔离供电和隔离通讯吧？用的是什么通讯方式？485吗？3.3V的供电是怎么来的？ 锂电池的均衡充放电和过流短路保护是怎么做的，是否有相关的芯片方案？ 用哪种隔离通信IC好?ADI的专用IC还是光藕? xiaoliequan 发表于 2014-9-17 10:21
用哪种隔离通信IC好?ADI的专用IC还是光藕?
光耦与ADI磁隔离或TI的电容隔离技术我简单说下我所知道的。
若所需的是9600以下的波特率的，那就直接用光耦，因为PC817之类的价格非常的低，隔离电压也是没问题的。
若所需超过以上波特率的，那么两个高速光耦的价格是比隔离IC贵的。但是隔离IC静态工作电流较大200uA以上，但是光耦的静态功耗极低，里面就一些简单的触发器电路。若对静态功耗不是要求非常严格的话，我觉得隔离IC是完胜的。
另外ADI的隔离采用磁隔离技术，在LAYOUT方面是需要注意的，TI的则不用。具体的哪个技术更可靠我也说不上。在通讯后备电源中我用了一批TI的 隔离IC，没发现有太多问题。；）
以上供参考。 qilin3 发表于 2014-9-17 10:29
光耦与ADI磁隔离或TI的电容隔离技术我简单说下我所知道的。
若所需的是9600以下的波特率的，那就直接用光 ...
谢谢!我们当时用过ADI的ADuM1251磁隔离IC,价格也不便宜啊.如果速度不高,确实采用普通光藕还是划算,高速光藕价格还有TI的隔离IC还没有了解过.有机会了解一下 sanger 发表于 2014-9-17 10:02
我想请教了一下楼主：这么多电池串联，需要做隔离供电和隔离通讯吧？用的是什么通讯方式？485吗？3.3V的供 ...
我们做了隔离电源，48V to 5V的隔离电源 sanger 发表于 2014-9-17 10:06
锂电池的均衡充放电和过流短路保护是怎么做的，是否有相关的芯片方案？
AFE用了美信的 MAX14921，短路保护就分立硬件就能实现了 dreampet 发表于 2014-9-17 09:29
1.如果你的P-是跟大地接一起的，那不需要考虑；否则240V需要考虑触电的危险。跟灭弧没有关系，实际上你整 ...
我还想请教一个问题，我们这个是用于HVDC的，电池一直都是在线式挂着的，有市电的情况下会持续充电，无市电的情况下要马上备电（用于数据机房），要求零切换。用继电器的方案，当在充电状态出现了充电保护，就要断开继电器，但是当市电掉电时又要马上闭合继电器，开启输出。继电器的响应速度来得及吗？这样的应用会有风险吗？ qilin3 发表于 2014-9-17 15:12
我还想请教一个问题，我们这个是用于HVDC的，电池一直都是在线式挂着的，有市电的情况下会持续充电，无市 ...
我们用的这个继电器闭合是不超过20ms，但是断开的话跟电流有关，电流越大时间越长，最短不到10ms，最长可以达到5秒，你可以根据这个时间评估下。 xiaoliequan 发表于 2014-9-17 10:51
谢谢!我们当时用过ADI的ADuM1251磁隔离IC,价格也不便宜啊.如果速度不高,确实采用普通光藕还是划算,高速 ...
ADuM1251 工作时的静态功耗多大? dreampet 发表于 2014-9-17 16:10
我们用的这个继电器闭合是不超过20ms，但是断开的话跟电流有关，电流越大时间越长，最短不到10ms，最长可 ...
有没有用过LTC6804-2 看规格书隔离的可靠性很高，直接可用变压器隔离。 dreampet 发表于 2014-9-17 09:29
1.如果你的P-是跟大地接一起的，那不需要考虑；否则240V需要考虑触电的危险。跟灭弧没有关系，实际上你整 ...
我还想请教一个问题，我们这个是用于HVDC的，电池一直都是在线式挂着的，有市电的情况下会持续充电，无市电的情况下要马上备电（用于数据机房），要求零切换。用继电器的方案，当在充电状态出现了充电保护，就要断开继电器，但是当市电掉电时又要马上闭合继电器，开启输出。继电器的响应速度来得及吗？这样的应用会有风险吗？
请教几个问题：
1、电池一直挂在UPS母线上？这个充电电流你没法控制吗？即过充后你不能控制他关掉这个充电输出吗？
2、市电断电，电池过放后，突然来市电，此时UPS输出的母线电压可能是240V，但你的电池只有210V（假如），会出现过流的情况吗？
3、240V好像中国电信的标准吧，好像还有336V的？ 4、另外如果要考虑零切换的话，可以用两个MOS背靠背的结构，用继电器和二极管来实现。 本帖最后由 qilin3 于 2014-9-25 08:26 编辑
Nokini 发表于 2014-9-24 22:54
1、电池一直挂在UPS母线上？这个充电电流你没法控制吗？即过充后你不能控制他关掉这个充电输出吗？
2、市电断电，电池过放后，突然来市电，此时UPS输出的母线电压可能是240V，但你的电池只有210V（假如），会出现过流的情况吗？
3、240V好像中国电信的标准吧，好像还有336V的？
1. 如上图，HVDC是用来取代UPS的，交流380V，通过整流为288V，电池直接挂在母线上，也没有专门为电池充电的端口，电池设备为同口充放电。
2. 整流模块会检测电池电压，然后CC/CV 对电池充电，主动拉低母线电压限流
3. 是的，不同的运营商的电压有不同 mos怎么样来保证同时关断，要不要不一下就全挂了
LZ，再次请教个问题：
整流模块输出电流，一方面要给负载供电，一方面要给电池充电，而且负载可能是变化的，他怎么能做到对电池进行CC/CV充电呢？ 同口充放电，那你是用继电器+二极管来实现吗？ Nokini 发表于 2014-9-25 08:40
同口充放电，那你是用继电器+二极管来实现吗？
我打算只用一个继电器，两个继电器成本太高了。平时继电器合上，有任何保护的时候弹开，但最主要的是要保证放电，检测到母线电压低的时候且电池无放电异常的时候就强制合上继电器。 做特斯拉用吗 1、总电压将检测两路吗， B+/B-和P+/P-？
2、检测到母线电压低时，合上继电器，电池又开始充电了，过一会儿又保护掉了，会出现循环往复吧？
3、人家HVDC系统能承受最大的延迟时间有多长呢？这玩意应该是热备的。 Nokini 发表于 2014-9-25 09:14
1、总电压将检测两路吗， B+/B-和P+/P-？
2、检测到母线电压低时，合上继电器，电池又开始充电了，过一会 ...
2、检测到母线电压低时，合上继电器，电池又开始充电了，过一会儿又保护掉了，会出现循环往复吧？
母线电压低时只能是因为掉电了。因此不会再给电池充电，母线电压高于电池电压或有充电电流时，若此时还有充电保护未解除，就断开继电器。
3、人家HVDC系统能承受最大的延迟时间有多长呢？这玩意应该是热备的。
这个我现在也不知道，继电器 < 10ms内吸合。我们的系统还没真正挂到HVDC 设计测试。希望有经验的多多提建议，防止走弯路。；） qilin3 发表于 2014-9-17 08:56
非常感谢你的建议。
P- 为什么要再增加继电器呢？做二重保护？还是为了同时关断灭弧用？
另外你说的 “各 ...
你好，你们继电器用哪个具体型号？找哪个代理商买的呢？
我没联系到代理商，谢谢 Nokini 发表于 2014-9-25 08:40
同口充放电，那你是用继电器+二极管来实现吗？
二极管有型号推荐吗？ LZ,要不加我的BMS群，讨论吧，二极管型号我们有在用，不过我们是两个二极管+两个继电器的，成本虽然很高，但可靠。
245568082 整流器 MDK 200A 1600V 品牌：武汉武整，数量：1个 Nokini 发表于 2014-9-25 11:56
整流器 MDK 200A 1600V 品牌：武汉武整，数量：1个
加上~~{:lol:} mark;学习了，帮不上忙。 qilin3 发表于 2014-9-16 17:41
IGBT 通大电流，热量比较高，备用电池系统用于备电场合，一般是不做主动散热的。 ...
楼主。碳化硅器件可以考虑下。 qilin3 发表于 2014-9-25 11:03
你好，你们继电器用哪个具体型号？找哪个代理商买的呢？
我没联系到代理商，谢谢 ...
我们是欧姆龙的代理，需要的联系我。QQ475510509
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