BMS PCBA

С 20-годишен анализ на неизправности в секторите на електромобилите, съхранението на енергия и електронната мобилност, документирах точно какво разделя 10-годишна BMS от 6-месечна опасност. Това ръководство предоставя инженерни спецификации, правила за оформление и методи за проверка, базирани на резултати от реално поле.

Какво трябва да прави BMS PCBA

A BMS PCBA наблюдава, защитава и балансира литиевите клетки. Четири функции не подлежат на обсъждане:
Защита от пренапрежение (OVP): Прекъсване на заряда при 4,25 V на клетка (Li-ion).
Защита от ниско напрежение (UVP): Прекъсване на разряда при 2,5 V до 3,0 V на клетка.
Защита от свръхток (OCP): Бързо изключване (диапазон µs) за късо съединение.
Балансиране на клетката: Пасивно или активно изравняване в серийни клетки.
Липсата на някое от тях превръща сглобяването в пасив.

Основни технически параметри

Следните стойности представляват индустриални минимуми за безопасна работа. Винаги превишавайте тези за автомобилно или стационарно съхранение.

Номинално напрежение и ток

Точки за защита (на клетка за Li-Ion)

Ток на покой (режим на заспиване)

Правила за оформление на PCBA за надеждност

Повечето повреди на BMS произхождат от печатната платка, а не от интегралните схеми. Следвайте тези 12 правила.

Келвинови следи за клетъчни напрежения

Никога не насочвайте сензорните следи на клетките през пътища с голям ток.
Всеки кран на клетка изисква специална следа (0,2 mm до 0,3 mm) от конектора директно към щифта AFE (аналогов преден край).
Без разклоняване: Не споделяйте сензорни следи между клетките.

Проектиране на високотоков път

Тегло на медта: минимум 2 унции за 20A до 50A. 4 унции за 50A до 100A.
Паралелни слоеве: Използвайте няколко слоя паралелно за токове над 60 A.
Отвор на маската за спойка: Разкрийте медта и добавете допълнителна спойка, за да увеличите напречното сечение. Това намалява съпротивлението с 30% до 40%.

Поставяне на сензорния резистор

Четирипроводна (Келвин) връзка: Сензорният резистор трябва да има специални следи за отчитане на напрежение от неговите подложки.
Поставяне: В рамките на 10 мм от диференциалните входни щифтове на AFE.
Съвпадение на следи: Сензорните следи трябва да са с еднаква дължина и успоредни за текущата точност на измерване.

Термично управление за FET

Медна област: Всяка MOSFET дренажна подложка изисква медна равнина от 300 mm² до 500 mm².
Термични отвори: 9 до 12 отвори (диаметър 0,3 mm) под всяка FET термична подложка.
Пълнеж на отвора: Запълнените и затворени отвори са задължителни за надеждността на запояването.

Разстояние между компонентите за изолиране на напрежението

Разделяне на земната равнина

Заземяване с голям ток (захранващ път): Дебели следи, без разцепвания.
Слаботокова аналогова земя (AFE, сензор): звезда, свързана към отрицателната клема на батерията.
Точка на свързване: Свържете аналогово и захранващо заземяване в една точка близо до сензорния резистор.

Контролен списък за избор на компонент

Надеждният BMS PCBA започва с правилната спецификация на материалите.

Аналогов преден край (AFE)

Препоръчителни семейства AFE: Texas Instruments BQ769x2 (до 16S), Analog Devices LTC681x (високо напрежение), NXP MC33771C (автомобилен).

Захранващи MOSFET транзистори

Номинално напрежение: Поне 1,5x максимално напрежение на опаковката. За 16S Li-ion (67V макс.) използвайте 100V FETs.
Номинален ток: 2x непрекъснат разряден ток при 100°C температура на свързване.
Паралелни FET: За 100A+ използвайте 4 до 8 FET в паралел. Следите на вратата трябва да са с еднаква дължина, за да се осигури едновременно превключване.

Токов сензорен резистор

Пасивни компоненти за надеждност

Кондензатори: само X7R или X5R диелектрик. Никога не използвайте Y5V или Z5U близо до AFE щифтове.
Резистори за сензорни входове: серийни резистори от 1kΩ до 10kΩ на всяка линия за сензорна клетка. Ограничава тока по време на повреда.
TVS диоди: Двупосочни 5V до 6V през всеки вход на клетка. Предпазва AFE от ESD и шипове на кабелния сноп.

Изисквания за производство и инспекция

Добре проектираният BMS PCBA не успява да се сглоби, ако тези стъпки се игнорират.

ЧЗВ за BMS PCBA

По-долу има три технически въпроса от инженери и монтажници на батерии.

Въпрос 1: Защо моята BMS PCBA продължава да задейства фалшива защита от свръхток по време на нормално стартиране на двигателя?
О: Имате проблем с пусков ток, комбиниран с твърде бърз OCP филтър. Ето инженерната корекция:
Повечето BMS AFE имат конфигурируемо закъснение за защита от свръхток (обикновено 100µs до 1ms). Стартирането на двигателя (особено безчетковите DC двигатели) черпи 5x до 8x номинален ток за 1ms до 5ms.
Стъпка 1 - Измерете действителния пусков удар: Използвайте осцилоскоп с токова сонда през сензорния резистор. Запишете пиковия ток и продължителността по време на най-лошия случай на стартиране (студен двигател, слаба батерия).
Стъпка 2 - Регулирайте AFE регистрите: Увеличете забавянето на свръхток до 2ms до 5ms. Поддържайте забавянето на късо съединение на 100µs (това предпазва от мъртви къси съединения).
Стъпка 3 – Настройка на хардуерен филтър: Добавете 100nF кондензатор между щифтовете за измерване на ток на AFE. Това създава RC филтър от 10µs до 20µs, който игнорира много къси пикове.
Стъпка 4 – Ако все още се изключва: Вашият сензорен резистор е твърде голям. Резистор от 2 mΩ произвежда 200 mV при 100 A. Превключете на 1 mΩ или 0,5 mΩ, за да увеличите свободното пространство, преди компараторът за свръхток да се изключи.
Предупреждение: Не деактивирайте OCP. Фалшивите пътувания са досадни. Пожарът е постоянен.

Q2: Как да проектирам BMS PCBA, който балансира 16S LiFePO4 пакет с 200Ah клетки?
О: Стандартните интегрирани балансиращи FET (50 mA до 100 mA) ще отнемат 80 до 160 часа, за да балансират 200 Ah клетки. Това е неизползваемо. Имате нужда от външно пасивно балансиране или активно балансиране.
Вариант A - Външен пасивен баланс (рентабилен):
Използвайте AFE, който управлява външни балансиращи FET (напр. BQ76952 с външни N-канални FET).
Избор на компонент за клетка:
Балансиращ резистор: 10Ω до 22Ω, 5W до 10W (метален оксид или навит).
Балансиращ FET: 60V, 5A, Rds(on) < 50mΩ.
Балансиращ ток: 200mA до 500mA. (Използване на 10Ω резистор при 3,3V клетка = 330mA.)
Термични изисквания за PCB: Всеки резистор разсейва 1W до 1,5W. Изисква 500 mm² медна площ на резистор.
Вариант B - Активно балансиране (висока производителност):
Използвайте активен балансиращ IC (напр. Analog Devices LTC3300 или Texas Instruments BQ79616).
Топология: Капацитивен или трансформаторен.
Балансиращ ток: 1A до 5A на клетка.
Ефективност: 85% до 92%.
Сложност на PCB: Изисква 6 до 8 слоя, внимателна изолация между клетките.
Препоръка за клетки 200Ah: Използвайте външно пасивно балансиране при 300mA до 500mA. Добавете радиатор върху масива от балансиращи резистори. Активно балансиране само ако животът на цикъла е критичен и бюджетът позволява 2 пъти по-високи разходи за PCBA.

Q3: Какви тестове трябва да премине BMS PCBA, преди да го одобря за производство?
О: Необходими са пет теста. Не пропускайте нито едно.