BMS PCBA

S 20 lety analýzy poruch napříč sektory EV, skladování energie a e-mobility jsem přesně zdokumentoval, co odlišuje 10letý BMS od 6měsíčního nebezpečí. Tato příručka poskytuje technické specifikace, pravidla rozvržení a metody ověřování založené na skutečných výnosech z pole.

Co musí BMS PCBA dělat

A BMS PCBA monitoruje, chrání a vyvažuje lithiové články. Čtyři funkce jsou nesmlouvavé:
Ochrana proti přepětí (OVP): Přerušte nabíjení při 4,25 V na článek (Li-ion).
Ochrana proti podpětí (UVP): Přerušte vybíjení 2,5 V až 3,0 V na článek.
Over-Current Protection (OCP): Rychlé vypnutí (rozsah µs) pro zkraty.
Vyrovnávání buněk: Pasivní nebo aktivní vyrovnání napříč buňkami série.
Chybějící některý z těchto prvků změní sestavu na závazek.

Základní technické parametry

Následující hodnoty představují průmyslová minima pro bezpečný provoz. U automobilového nebo stacionárního skladování je vždy překračujte.

Hodnoty napětí a proudu

Ochranné vypínací body (na článek pro Li-Ion)

Klidový proud (režim spánku)

Pravidla pro rozvržení PCBA pro spolehlivost

Většina poruch BMS pochází z PCB, nikoli z IC. Dodržujte těchto 12 pravidel.

Kelvinovy ​​stopy pro napětí buněk

Nikdy nesměrujte stopy buňkového snímání přes silnoproudé cesty.
Každé odbočení buňky vyžaduje vyhrazenou stopu (0,2 mm až 0,3 mm) z konektoru přímo do kolíku AFE (Analog Front End).
Žádné větvení: Nesdílejte stopy smyslů mezi buňkami.

Návrh cesty vysokého proudu

Hmotnost mědi: 2 oz minimálně pro 20A až 50A. 4 oz pro 50A až 100A.
Paralelní vrstvy: Pro proudy nad 60 A použijte více vrstev paralelně.
Otvor pájecí masky: Odhalte měď a přidejte další pájku, abyste zvětšili průřez. To snižuje odpor o 30 až 40 %.

Umístění snímacího rezistoru

Čtyřvodičové (Kelvinovo) připojení: Snímací odpor musí mít vyhrazené stopy snímání napětí ze svých podložek.
Umístění: Do 10 mm od vstupních kolíků diferenciálu AFE.
Shoda tras: Pro přesnost aktuálního měření musí být sledy snímání stejně dlouhé a paralelní.

Tepelný management pro FET

Měděná plocha: Každý odvodňovací polštářek MOSFET vyžaduje měděnou rovinu o ploše 300 mm² až 500 mm².
Tepelné průchody: 9 až 12 průchodů (průměr 0,3 mm) pod každou tepelnou podložkou FET.
Plnění přes průchod: Vyplněné a uzavřené průchody jsou povinné pro spolehlivost pájení.

Rozteč součástí pro napěťovou izolaci

Dělení pozemní roviny

Silnoproudé uzemnění (napájecí cesta): Tlusté stopy, žádné trhliny.
Nízkoproudé analogové uzemnění (AFE, smysl): Připojení hvězdičkou k zápornému pólu baterie.
Spojovací bod: Propojte analogové a napájecí uzemnění v jednom bodě poblíž snímacího rezistoru.

Kontrolní seznam pro výběr komponent

Spolehlivý BMS PCBA začíná správným kusovníkem.

Analogové rozhraní frontend (AFE)

Doporučené rodiny AFE: Texas Instruments BQ769x2 (až 16S), Analog Devices LTC681x (vysoké napětí), NXP MC33771C (automobil).

Výkonové MOSFETy

Jmenovité napětí: Minimálně 1,5násobek maximálního napětí baterie. Pro 16S Li-ion (67V max) použijte 100V FET.
Jmenovitý proud: 2x nepřetržitý vybíjecí proud při teplotě přechodu 100 °C.
Paralelní FET: Pro 100A+ použijte paralelně 4 až 8 FET. Trasy brány musí mít stejnou délku, aby bylo zajištěno současné přepínání.

Current Sense Rezistor

Pasivní komponenty pro spolehlivost

Kondenzátory: Pouze dielektrikum X7R nebo X5R. Nikdy nepoužívejte Y5V nebo Z5U v blízkosti kolíků AFE.
Rezistory pro snímací vstupy: sériové odpory 1kΩ až 10kΩ na každé snímací lince buňky. Omezuje proud při poruchových událostech.
Diody TVS: Obousměrné 5V až 6V přes každý vstup článku. Chrání AFE před ESD a hroty kabelového svazku.

Požadavky na výrobu a kontrolu

Pokud jsou tyto kroky ignorovány, dobře navržený BMS PCBA selže při sestavení.

Časté dotazy k BMS PCBA

Níže jsou uvedeny tři technické otázky od techniků a výrobců baterií.

Q1: Proč moje BMS PCBA stále spouští falešnou nadproudovou ochranu během normálního spouštění motoru?
Odpověď: Máte problém se zapínacím proudem v kombinaci s příliš rychlým filtrem OCP. Zde je technická oprava:
Většina BMS AFE má konfigurovatelné zpoždění nadproudové ochrany (typicky 100 µs až 1 ms). Rozběh motoru (zejména bezkomutátorové stejnosměrné motory) odebírá 5x až 8x jmenovitý proud po dobu 1 ms až 5 ms.
Krok 1 – Změřte skutečný náběh: Použijte osciloskop s proudovou sondou na snímacím rezistoru. Zaznamenejte špičkový proud a dobu trvání během nejhoršího spouštění (studený motor, vybitá baterie).
Krok 2 – Úprava registrů AFE: Zvyšte nadproudové zpoždění na 2 ms až 5 ms. Udržujte zkratové zpoždění na 100 µs (toto chrání před mrtvými zkraty).
Krok 3 – Vyladění hardwarového filtru: Přidejte kondenzátor 100nF mezi kolíky snímání proudu AFE. To vytváří 10µs až 20µs RC filtr, který ignoruje velmi krátké špičky.
Krok 4 – Pokud stále vypíná: Váš snímací odpor je příliš velký. Rezistor 2mΩ produkuje 200mV při 100A. Přepněte na 1 mΩ nebo 0,5 mΩ pro zvýšení světlé výšky před vypnutím nadproudového komparátoru.
Upozornění: Nezakazujte OCP. Falešné výlety jsou nepříjemné. Požár je trvalý.

Otázka 2: Jak navrhnu BMS PCBA, která vyrovnává sadu 16S LiFePO4 s články 200Ah?
Odpověď: Standardní integrované vyvažovací FET (50 mA až 100 mA) zabere vyvážení 200Ah článků 80 až 160 hodin. To je nepoužitelné. Potřebujete externí pasivní vyvažování nebo aktivní vyvažování.
Možnost A – Externí pasivní vyvažování (nákladově efektivní):
Použijte AFE, který řídí externí vyvažovací FET (např. BQ76952 s externími N-kanálovými FET).
Výběr komponent na buňku:
Vyvažovací odpor: 10Ω až 22Ω, 5W až 10W (oxid kovu nebo drátěný).
Vyvažovací FET: 60V, 5A, Rds(on) < 50mΩ.
Vyrovnávací proud: 200mA až 500mA. (Použití rezistoru 10Ω při 3,3V článku = 330mA.)
Tepelný požadavek desky plošných spojů: Každý rezistor rozptyluje 1W až 1,5W. Vyžaduje 500 mm² měděné plochy na rezistor.
Možnost B – aktivní vyvažování (vysoký výkon):
Použijte aktivní IC balanceru (např. Analog Devices LTC3300 nebo Texas Instruments BQ79616).
Topologie: Kapacitní nebo transformátorová.
Vyrovnávací proud: 1A až 5A na článek.
Účinnost: 85 % až 92 %.
Složitost PCB: Vyžaduje 6 až 8 vrstev, pečlivou izolaci mezi buňkami.
Doporučení pro 200Ah články: Použijte externí pasivní vyvažování při 300 mA až 500 mA. Přidejte chladič přes pole vyrovnávacích odporů. Aktivní vyvažování pouze v případě, že životnost cyklu je kritická a rozpočet umožňuje 2x vyšší náklady na PCBA.

Q3: Jaké testy musí projít BMS PCBA, než jej schválím pro výrobu?
Odpověď: Vyžaduje pět testů. Žádné nevynechávejte.