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

因此，需要嚴(yán)格的電池管理系統(tǒng)（電池管理系統(tǒng)，BMS）來監(jiān)測(cè)和保護(hù)鋰電池。本文將介紹幾種常見的電動(dòng)自行車 BMS架構(gòu)，以及不同架構(gòu)的優(yōu)缺點(diǎn)及其使用場(chǎng)景。

 

電動(dòng)自行車BMS架構(gòu)

圖1顯示了一個(gè)典型的電動(dòng)自行車BMS架構(gòu)。它通常由電池、模擬前端、二級(jí)保護(hù)、主控制等組成。

 

 

采用AFE控制MOS開關(guān)，二次保護(hù)芯片控制三端FUSE熔斷，實(shí)現(xiàn)雙重保護(hù)，真正意義上的雙重保護(hù)。合格的電動(dòng)自行車BMS可以通過各種功能安全認(rèn)證。

 

電動(dòng)自行車BMS架構(gòu)類型

高端串行架構(gòu)

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

 

 

優(yōu)勢(shì)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(qū)動(dòng)電路不存在耐壓?jiǎn)栴}，并且pack-始終與B-處于相同電位。

 

缺點(diǎn)分析：

如果NMOS用于高側(cè)控制，則需要升壓電路來導(dǎo)通NMOS，并且gs+B+的驅(qū)動(dòng)電壓可以驅(qū)動(dòng)NMOS導(dǎo)通。

這將增加升壓電路的成本。如果使用PMOS電路，則控制相對(duì)簡(jiǎn)單，并且PMOS的成本大于NMOS的成本。

 

高端并行架構(gòu)

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

 

 

優(yōu)勢(shì)分析：

降低了充放電等時(shí)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(huì)更低

缺點(diǎn)分析：

它無法防止某些錯(cuò)誤操作。在充電口和放電口充電會(huì)對(duì)電池造成致命損壞。

 

低端串聯(lián)架構(gòu)

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

 

 

優(yōu)勢(shì)分析：

目前使用最廣泛的ebike BMS解決方案，具有低成本和簡(jiǎn)單的驅(qū)動(dòng)控制。

缺點(diǎn)分析：

當(dāng)B-和P-關(guān)閉時(shí)，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(gòu)

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

 

 

優(yōu)勢(shì)分析：

降低了充電和放電等時(shí)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(huì)更低。

缺點(diǎn)分析：

它無法防止某些錯(cuò)誤操作。在充電口和放電口充電會(huì)對(duì)電池造成致命損壞。

 

選擇合適的電動(dòng)自行車BMS架構(gòu)

上述四種電動(dòng)自行車BMS架構(gòu)的主要區(qū)別在于兩點(diǎn)：一是CFET和DFET是放在高端還是低端；另一個(gè)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(yīng)用場(chǎng)合，應(yīng)選擇合適的電動(dòng)自行車BMS架構(gòu)。以下介紹了選擇不同電動(dòng)自行車BMS架構(gòu)時(shí)的主要注意事項(xiàng)。

 

高端或低端

低端解決方案目前是一種相對(duì)成熟且易于實(shí)施的解決方案，大多數(shù)兩輪車也是基于低端解決方案設(shè)計(jì)的。同時(shí)，目前大多數(shù)模擬前端也集成了低端驅(qū)動(dòng)功能。

然而，低側(cè)保護(hù)方案有一個(gè)缺點(diǎn)：當(dāng)CFET和DFET關(guān)閉時(shí)，一旦觸發(fā)保護(hù)以關(guān)閉充放電FET，電池側(cè)和系統(tǒng)側(cè)就無法再實(shí)現(xiàn)直接通信。

 

 

與低側(cè)保護(hù)方案相比，即使在觸發(fā)保護(hù)后，電池組和系統(tǒng)側(cè)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(shí)現(xiàn)相互通信。并在觸發(fā)保護(hù)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(gòu)的充電端口和放電端口共用一個(gè)端口，但缺點(diǎn)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(duì)較大，例如，普通電動(dòng)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(jié)構(gòu)，則需要選擇比實(shí)際需要更多的CFET，從而導(dǎo)致不必要的浪費(fèi)。

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

缺點(diǎn)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(gòu)需要一條額外的電源線和一個(gè)額外的端口，這不適合某些場(chǎng)合。

 

其他ebike BMS架構(gòu)

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

 

級(jí)聯(lián)架構(gòu)

根據(jù)模擬前端的數(shù)量，電動(dòng)自行車BMS可以分為級(jí)聯(lián)架構(gòu)和非級(jí)聯(lián)架構(gòu)。

目前主流的電動(dòng)自行車 BMS，如電動(dòng)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(duì)于目前主流的電動(dòng)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(jí)聯(lián)架構(gòu)。然而，對(duì)于一些需要相對(duì)大功率的應(yīng)用，例如電動(dòng)輕型摩托車或電動(dòng)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(gè)BQ76952不足以支持。需要使用兩個(gè)芯片級(jí)聯(lián)使用，即采用級(jí)聯(lián)電動(dòng)自行車BMS架構(gòu)。

 

獨(dú)立架構(gòu)

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

在圖7中，AFE獨(dú)立于MCU工作，因此它是一個(gè)獨(dú)立的體系結(jié)構(gòu)。當(dāng)BQ769x2在獨(dú)立模式下工作時(shí)，它仍然可以監(jiān)測(cè)電池狀態(tài)并控制充電和放電FET。

 

 

當(dāng)保護(hù)條件被觸發(fā)時(shí)，F(xiàn)ET被自動(dòng)控制為關(guān)斷以實(shí)現(xiàn)保護(hù)，并且當(dāng)保護(hù)條件解除時(shí)，F(xiàn)ETs被自動(dòng)恢復(fù)為導(dǎo)通。

獨(dú)立電動(dòng)自行車 BMS架構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)是可以節(jié)省一個(gè)MCU，適用于成本要求嚴(yán)格的應(yīng)用。然而，由于缺乏MCU，靈活性有所損失。用戶需要根據(jù)實(shí)際需求選擇獨(dú)立或非獨(dú)立的電動(dòng)自行車 BMS架構(gòu)。

 

總結(jié)

隨著電池交換模型變得更加復(fù)雜，用戶可以期待電動(dòng)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(jìn)的BMS技術(shù)的發(fā)展也將延長(zhǎng)電池壽命、提高性能和提高安全性。