近年來，電動兩輪車市場迎來了新的發(fā)展熱潮。鋰電池替代鉛酸也是一種趨勢。然而，鋰電池的安全性不如鉛酸電池。

因此，需要嚴格的電池管理系統(tǒng)（電池管理系統(tǒng)，BMS）來監(jiān)測和保護鋰電池。本文將介紹幾種常見的電動自行車 BMS架構，以及不同架構的優(yōu)缺點及其使用場景。

 

電動自行車BMS架構

圖1顯示了一個典型的電動自行車BMS架構。它通常由電池、模擬前端、二級保護、主控制等組成。

 

 

采用AFE控制MOS開關，二次保護芯片控制三端FUSE熔斷，實現(xiàn)雙重保護，真正意義上的雙重保護。合格的電動自行車BMS可以通過各種功能安全認證。

 

電動自行車BMS架構類型

高端串行架構

高端系列架構如圖2所示。CFET和DFET都放置在高側并串聯(lián)，因此稱為高側串聯(lián)架構。

 

 

優(yōu)勢分析：

1） BMS無需與外部通信隔離，均參考電池組-作為參考接地。2）電池組-不存在短路浪涌影響問題。

3） BMS驅動電路不存在耐壓問題，并且pack-始終與B-處于相同電位。

 

缺點分析：

如果NMOS用于高側控制，則需要升壓電路來導通NMOS，并且gs+B+的驅動電壓可以驅動NMOS導通。

這將增加升壓電路的成本。如果使用PMOS電路，則控制相對簡單，并且PMOS的成本大于NMOS的成本。

 

高端并行架構

高端并行架構如圖3所示。CFET和DFET都放置在高側并并聯(lián)，因此被稱為高側并聯(lián)架構。

 

 

優(yōu)勢分析：

降低了充放電等時接口解決方案的成本，充電MOS的選擇是指充電電流，而放電MOS的選擇則是指放電電流。成本會更低

缺點分析：

它無法防止某些錯誤操作。在充電口和放電口充電會對電池造成致命損壞。

 

低端串聯(lián)架構

低端系列架構如圖4所示。CFET和DFET都放置在低側并串聯(lián)，因此稱為低側串聯(lián)架構。

 

 

優(yōu)勢分析：

目前使用最廣泛的ebike BMS解決方案，具有低成本和簡單的驅動控制。

缺點分析：

當B-和P-關閉時，有必要處理它們之間潛在的不一致性所引起的各種問題。

 

低端并行架構

低端并行體系結構如圖5所示。CFET和DFET都放置在低側并并聯(lián)，因此稱為低側并聯(lián)架構。

 

 

優(yōu)勢分析：

降低了充電和放電等時界面解決方案的成本。充電MOS的選擇是指充電電流，而放電MOS的選擇則是指放電電流。成本會更低。

缺點分析：

它無法防止某些錯誤操作。在充電口和放電口充電會對電池造成致命損壞。

 

選擇合適的電動自行車BMS架構

上述四種電動自行車BMS架構的主要區(qū)別在于兩點：一是CFET和DFET是放在高端還是低端；另一個區(qū)別是CFET和DFET是串聯(lián)連接還是并聯(lián)連接。

根據(jù)不同的應用場合，應選擇合適的電動自行車BMS架構。以下介紹了選擇不同電動自行車BMS架構時的主要注意事項。

 

高端或低端

低端解決方案目前是一種相對成熟且易于實施的解決方案，大多數(shù)兩輪車也是基于低端解決方案設計的。同時，目前大多數(shù)模擬前端也集成了低端驅動功能。

然而，低側保護方案有一個缺點：當CFET和DFET關閉時，一旦觸發(fā)保護以關閉充放電FET，電池側和系統(tǒng)側就無法再實現(xiàn)直接通信。

 

 

與低側保護方案相比，即使在觸發(fā)保護后，電池組和系統(tǒng)側仍然是公共接地。

因此，在不增加孤立通信的情況下，仍然可以實現(xiàn)相互通信。并在觸發(fā)保護后斷開蓄電池的正極端子，系統(tǒng)更加安全。

 

串聯(lián)或并聯(lián)

串聯(lián)架構的充電端口和放電端口共用一個端口，但缺點是CFET和DFET的數(shù)量需要根據(jù)充電和放電電流的最大值來選擇。

如果充電電流和放電電流之間的差相對較大，例如，普通電動汽車鋰電池組的充電電流小于放電電流，并且如果選擇串聯(lián)結構，則需要選擇比實際需要更多的CFET，從而導致不必要的浪費。

與串聯(lián)架構相比，并聯(lián)架構可以根據(jù)實際充放電電流需求選擇CFET和DFET的數(shù)量和類型。

缺點是需要考慮反向電流，例如通過DFET的體二極管流到電池芯。

為了阻斷這些電流路徑，需要額外的電路輔助。此外，并行架構需要一條額外的電源線和一個額外的端口，這不適合某些場合。

 

其他ebike BMS架構

除了根據(jù)CFET和DFET的位置進行上述分類外，ebike BMS架構還可以根據(jù)模擬前端的數(shù)量、是否有MCU等進行分類。

 

級聯(lián)架構

根據(jù)模擬前端的數(shù)量，電動自行車BMS可以分為級聯(lián)架構和非級聯(lián)架構。

目前主流的電動自行車 BMS，如電動自行車、踏板車和自平衡車，通常使用10S、14S或16S電池組，BQ769x2可以支持它們。因此，對于目前主流的電動自行車BMS，可以使用上述單一AFE解決方案。

圖2~圖5均為非級聯(lián)架構。然而，對于一些需要相對大功率的應用，例如電動輕型摩托車或電動摩托車，電壓通常高于60V。

需要使用高于16串的電池組才能獲得更大的功率，單個BQ76952不足以支持。需要使用兩個芯片級聯(lián)使用，即采用級聯(lián)電動自行車BMS架構。

 

獨立架構

根據(jù)MCU的存在與否，電動自行車BMS可分為獨立架構和非獨立架構。圖2~圖5都使用MCU，所以它們都是非獨立的架構。

在圖7中，AFE獨立于MCU工作，因此它是一個獨立的體系結構。當BQ769x2在獨立模式下工作時，它仍然可以監(jiān)測電池狀態(tài)并控制充電和放電FET。

 

 

當保護條件被觸發(fā)時，F(xiàn)ET被自動控制為關斷以實現(xiàn)保護，并且當保護條件解除時，F(xiàn)ETs被自動恢復為導通。

獨立電動自行車 BMS架構的優(yōu)點是可以節(jié)省一個MCU，適用于成本要求嚴格的應用。然而，由于缺乏MCU，靈活性有所損失。用戶需要根據(jù)實際需求選擇獨立或非獨立的電動自行車 BMS架構。

 

總結

隨著電池交換模型變得更加復雜，用戶可以期待電動自行車電池管理系統(tǒng)（BMS）在不久的將來變得更加高效和劃算。更先進的BMS技術的發(fā)展也將延長電池壽命、提高性能和提高安全性。