在本文里，我们要学习 440a 电池管理系统（BMS）的功能以及工作原理。我们会对该模块的所有组件和电路进行研究。我已经把这个模块进行了完整的逆向工程，目的是了解它的工作方式，这样我就能展示 BMS 是怎样工作的。我们还有另外一篇文章和视频，其中测试了这个 BMS 的安全参数。下图展示了电池组，该电池组带有一个电压表，以及负载（灯泡）和充电器的母直流插孔。你能够在此处了解更多关于它的信息。

这个BMS有3个版本，标准版本，增强版本和平衡版本。

我们会关注平衡版本。平衡版本具备 4 个可负载平衡的电阻，而这一功能在其他版本中是不具备的。标准版本和增强版本较为相似，仅仅存在一个无源元件方面的差异，这些变体无法主动对细胞进行平衡，然而平衡版本拥有能够平衡细胞的电路。

4S 40A BMS电路图保护特性

BMS 对于电池使用寿命的延长以及电池组免受任何潜在危险而言是至关重要的。4s 40A 电池管理系统所提供的保护功能包含：

•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

设计了该系统原理图的是软件。稍后本文会对原理图进行完整的解释。

BMS与电池组的连接

BMS 模块的布局较为整洁，有用于标记的部分，这些标记是用来连接 BMS 与电池组中的不同点的。下图展示了我们应当如何将 cell 与 BMS 连接起来。

BMS 如同 4 个独立单元各自拥有的 4 个独立模块，接着这 4 个模块与晶体管以及无源元件进行了非常巧妙的集成，从而形成一个完整的 BMS，此 BMS 能够提供高达 40A 的电流，同时还能保护单个单元的参数。

深入挖掘BMS

BMS拥有 2 个 ic，分别是 DW01 和 BB3A；这种 BMS 的一些变体或许具备来自不同制造商的相同或者类似的 ic。然而，所有的 ic 都会具备相同的引脚和功能。我之后会对这两个 ic 进行讨论。下面的图展示了 BMS 中负责不同操作的部分。

从上图中能够清晰地看到，有一个 IC 承担着过压、过流和短路保护的职责，这个 IC 是 DW01 - A 。同时，还有另一个 IC 是 BB3A ，它负责电池平衡。

DW01-A：电池保护IC

它具备一个内部分压器电路，此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

集成电路的工作取决于其设计方式，而设计方式是由制造商给出的。DW01 的电气特性如下表所示：

保护电路

此电池组的保护电路呈现如图这般模样。在其中，bat +用以表示电池的正极，S3则用来表示电池的负极。IC会利用 VCC 与接地引脚之间的内部分压器电路去测量电池电压，并且依据上面所展示的电气特性表来对过放电（OD）引脚和过充电（OC）引脚进行控制，借此也就能够对下图里的晶体管 Q2 和 Q3 实施控制。

DW01 - A 持续监测过流或短路的方式是测量电流检测引脚处的电压。当处于短路情况时，若电压超过 VSIP ，就会出现故障，此时短路会被抑制，具体是通过关闭放电控制来实现的。过流的解释将在本文后续给出。

在图中，您能观察到 VSS 引脚与电阻器 R24 相连且连接到电池的正极，同时 VSS 和 VDD 有一个并联的电容器 C1。电容器以及电阻器对于抑制来自充电器的波纹和干扰而言是必不可少的。

BB3A：电池平衡IC

说到电池平衡电路，其核心是 BB3A，也就是 1 节锂离子/聚合物电池充电器平衡 IC。此 IC 能够凭借电电平监测来主动对电池进行平衡操作，它包含一个精度极高的电压检测电路以及一个延迟电路。

系列是为单电池锂离子电池所设计的，同时也能用于包含单个电池的多电池包。它具备电荷平衡控制，还有电电平监测 IC。该 IC 包括高精度电压检测电路以及延迟电路。IC 的功能框图如下：IC 中有一个分压器电路，此电路连接到输入 VSS 和 VDD，VDD 被馈送至过充电检测比较器，以用于控制增强。您可以参考 IC 的数据表以查看该 IC 的内部框图。此 IC 拥有一个极为简单的电路，仅仅利用电压检测比较器来测量电压并给出输出。其输出被用于控制栅极。既可以使用 p 型，也可以使用 n 型，这两种类型的有效工作情况如下表所示。

在这个 BMS 里，正在运用一个 n 通道的 BMS，接着将其连接到 480 欧姆的电阻，BMS 所使用的电路呈现为下图的样子：

在上述电路中，与之一起使用的是一个 n 通道增强型器件。BB3A 引脚 6 的输出引脚会向该增强型器件的栅极发出高信号。此时，通过 480 欧姆电阻连接了低电阻路径，该电阻起到负载电阻的作用并开始消耗电池。

利用欧姆定律能够较为轻易地算出放电速率。欧姆定律表明 V = IR 。

电池能够以每小时 91 毫安的速率进行放电。我们可以凭借改变电阻器的值来对放电速率进行改变。

全4S 40A BMS电路图

上图展示了 BMS 电路的完整电路图。如前文所述，此电路能够被划分成更小的模块，这些模块可用于对每个单元进行平衡和监控。

如下图所示，我们能够看到平衡器 IC 是与电池并联连接的。并且，电池充电 IC，也就是 DW01，也被并联连接到了电池上。

如上所述，DW01 的 VSS 被连接在电池的负极，VDD 被连接在电池的正极。引脚 2 作为电流检测引脚，它被接在负轨上。根据从电流检测引脚接收到的输入，对过充和过放晶体管进行控制。

440a BMS电路是如何工作的?

10 个实际上被分为 2 组，每组有 5 个。其中一组承担过流保护的任务，另一组承担过放保护的任务。因为不同电池的电池健康状况以不同速率退化，所以电路中的所有电池都能够触发过流或过放电保护。所有并联的栅极相互连接，源引脚也相互连接，这样就能一起触发它们。所有 10 个的漏极引脚是连接在一起的。这表明电路只有在所有都处于 on 状态时才会开始工作。如果不是所有都处于 on 状态，就没有电流流过。在这种情况下，电池组既不会为输出供电，也不会进行充电。

为什么要连接多个 ?

BMS 是为钻机电机操作而设计的，所以启动电流通常比额定电流高。电机的启动电流能达到额定电流的 4 至 8 倍。当电机加速并达到同步或基本速度时，电流会减小并恢复到额定速度。即便它的额定功率是 40A，如果连接一个消耗约 40A 的 500w 电机，浪涌电流在很短时间内可以高于 240 安培，所以会有多个并联连接。

当进行并联放置时，要确保所有的实际 vgs (TS)值都非常接近。因为你希望所有并联的部分能够同时导通，这样可以避免出现损坏的情况。

上图显示了电流的流向。当所有处于 On 状态时，电流开始流动。电流来自电池，流经电池组。同时，电流也流经来自 AOD 472 的串并联连接。

控制

通过控制 DW01 IC 的过充引脚和过放引脚来实现控制。左侧的源与地相连接，DW01 的电流检测引脚与源相连接。这样一来，当有短路情况或者过电流被 DW01 IC 检测到的时候，它就会打开 Q9，打开晶体管对，然后向栅极终端发出信号，进而使关闭动作得以完成。

右一对负责保护电池组不受过充电影响的栅极，与电池组的正极相连接。当电池出现过充电情况时，DW01 IC 会通过内部电位分压器电路来检测，并且会打开 OD 晶体管。

在这种情形下，IC1 会开启晶体管 Q2 。电流开始流动，这会开启 Q21 ，使其连接负责过充电保护的并联组合的栅极与地，进而将该并联组合关闭，最终断开整个电路。下图展示了 DW01 IC 在充电状态下的工作情形。

BMS模块的部件介绍

看看 BMS 的组件，BMS 包含 2 个 IC。其中，DW01 - A 是电池保护 IC，BB3A 是电池平衡 IC。我们有这个组件，其中包括文本 G1 为高压 NPN 晶体管，2L 为高压 PNP 晶体管。此外，还有一个肖特基整流器。在底部有 10 个 n 沟道增强 D472，2 组，每组 5 个串联在一起，可实现高电流传输，是过流保护和过充电保护的重要组件。

BMS中使用的所有组件如下表所示：

4S 40A BMS模块保护特性

BMS 模块具备保护电池组的所有必需功能。它能提供过充电保护，能提供过放电保护，能提供短路保护，还能进行电池平衡。关于保护功能的更多细节如下。

过度充电状态

当电池充电达到的电压超过了安全充电的电压时，电池的健康状况便会受到不良影响，其生命周期也会随之缩短。为避免电池出现过度充电的情况，BMS启用了过度充电保护机制，把电池组与充电器进行了断开连接的操作。过充保护的工作原理呈现如下图的样子。

从上图能看出，充电器连接后，电池电压会持续上升。若电池电压超过 VOCP（过充保护电压），便会等待 TOC（过充延迟时间），接着打开过充保护晶体管，以此关闭过充保护。只有当电池电压低于 VOCR（电池过充电释放电压）时，IC 才会关闭 OC 引脚。

过放电状态

当电池的电压处于低于安全工作电压的状态时，电池的健康状况会受到不良影响，并且电池的生命周期会逐渐缩短。为了避免电池出现过度放电的情况，BMS运用了过度放电保护。过度放电保护的工作原理呈现如下所示的情况。

从上图可知，负载连接后，电池电压会持续下降。一旦达到 VODP（过放电保护电压），就会开始等待 TOD（过放电延迟时间），接着打开过放电保护晶体管，进而关闭过放电保护。所以此时没有电流会流过 BMS。当电池不再充电时，若电池的电压未超过 VODR（过放电释放电压），BMS 就不会允许使用电池组，这样便增加了我们电池组的寿命。

上图展示了在过放电条件下的电流流动情况。你可以看到，晶体管处于并联状态。因为晶体管并联后，就如同一个大晶体管一样，能够处理更大的电流。

并联晶体管

过流保护

BMS 中的过流保护是很有必要的。当出现短路故障或者负载电流超出电池组规格时，它能够保护电池系统，避免出现过流或短路的情况。这种状况会对细胞的健康产生影响，甚至会对细胞造成损害，进而引发火灾。为了使电池免受过流的伤害，BMS 会采用过流保护。过流保护的工作原理如下面的图所示。

正常情况下，CS 引脚会通过持续监测其自身的电压来对放电电流进行监测。当单元的电流需求急剧上升，并且 CS 引脚中的电压超过了 VOIP（过流保护电压），同时超过了 TOI1（过流延迟时间）时，过流保护电路就会开始运行并关闭 OC，以此来断开电路。只有在负载释放或者正负极间的电池阻抗大于 500k 欧姆时，过流放电保护才会解除。

结论

440a BMS 是一种模块，它经济且非常有效，能够保护锂离子电池免受损坏。这种设计可以进行修改，以便用于数量更多或更少的细胞，所以它是一个通用性很强的设计。BMS 中使用的组件很容易获取，市场上有很多替换部件，这使得它在您的下一个项目中是一个非常好的 BMS。

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