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BMS（电池管理系统）保护机制与工作原理详解

来源：泰然健康网时间：2025年07月15日 23:05

电动车所采用的锂电池，因其独特材料特性，对过充、过放、过流、短路以及超高低温充放电等条件都极为敏感。因此，为了确保锂电池的安全与稳定，每块锂电池都会配备一块精心设计的BMS（Battery Management System，即电池管理系统），有时也被称为保护板。

首先，我们来深入探讨BMS的四大核心功能。

（一）感知与测量

BMS的首要任务是感知和测量电池的各种状态。这涵盖了诸多关键指标，如电压、电流、温度以及SOC（state of charge，即电量状态）、SOH（state of health，即电池健康状态）等。其中，SOC尤为重要，它直接反映了电池的剩余电量；而SOH则揭示了电池的当前健康状况，当其降至80%以下时，电池便可能不适宜用于动力环境。

（二）告警与保护

在电池出现异常时，BMS会迅速作出反应。它可以向监控平台发送告警信息，并采取相应的保护措施，以确保电池的安全。这些异常情况可能包括过充、过放、温度过高或过低等，BMS会根据具体情况进行相应的处理，如切断充放电回路以防止进一步损害。

（三）均衡管理

由于电池生产和使用过程中的不一致性，均衡管理显得尤为重要。每块电池都有其独特生命周期和特性，这使得不同电池的容量难以完全一致。为了解决这一问题，BMS会通过均衡管理来确保电池组中各电芯的一致性，从而延长电池的整体使用寿命。
（四）通信与定位
BMS配备了专门的通信模块，其核心功能包括数据传输和电池定位。通过这一模块，BMS能够实时将感知和测量的关键数据上传至运营管理平台，实现信息的及时共享与处理。同时，电池定位功能则有助于对电池的状态进行精准监控和管理。

二、BMS保护工作原理

BMS的保护机制依赖于其内部一系列精密的电子元件，包括控制IC、MOS开关、保险丝Fuse、NTC热敏电阻、TVS瞬态电压抑制器、电容以及存储器等。这些元件协同工作，共同构成了BMS的保护体系。其工作原理可概括为：通过实时监测电池状态，及时发现异常情况，并迅速启动保护措施，以确保电池的安全与稳定。具体的工作流程和元件作用如图所示。

上图中，控制IC通过操控MOS开关来达成电路的接通与断开，从而保障电路的安全，而FUSE则在此基础上提供了进一步的保护。此外，TH代表温度检测，其内部集成了一个10K NTC热敏电阻，负责实时监测温度变化。NTC热敏电阻主要用于感知温度，而TVS瞬态电压抑制器则主要用于抑制浪涌电压。

接下来，我们将深入探讨一级保护电路的工作原理。在图中，控制IC是核心组件，它负责监控电池的电压和回路中的电流，并通过控制MOS开关来做出响应。具体来说，控制IC可以细分为AFE和MCU两个部分：

AFE（Active Front End，模拟前端芯片）是电池采样芯片，主要负责收集电芯的电压、电流等关键信息。

MCU（Microcontroller Unit，微控制器芯片）则负责对AFE采集的数据进行计算和分析，并根据结果发出控制指令。

这两部分协同工作，构成了一级保护电路的核心机制。

AFE

AFE，作为电池采样芯片，通常采用6脚设计，包括CO、DO、VDD、VSS、DP和VM等引脚。这些引脚各自承担着特定的功能：

CO（charge output）负责充电控制；
DO（discharge output）则掌控放电控制；
VDD，即电源电压或输出电压，是电压最高的部分；
VSS，作为基准电压，则是电压最低的所在；
而VM则用于监测MOS两端的电压值。

在BMS系统正常运行时，CO、DO、VDD会维持高电平状态，而VSS、VM则保持低电平。一旦VDD、VSS、VM中的任何一项参数发生变化，CO或DO端的电平也会相应作出调整。
2. MCU

MCU，即微控制单元，也常被称作单片机，凭借其高性能、低功耗、可编程特性以及高灵活性，在众多领域得到广泛应用，包括消费电子、汽车制造、工业控制、通信技术、计算机科学、家用电器以及医疗设备等。在电池管理系统（BMS）中，MCU宛如“大脑”般的存在，它负责从传感器捕获数据，并依据电池组的配置文件来处理这些数据，从而做出明智的决策。此外，MCU芯片还负责处理AFE芯片采集的信息，进行计算（如电池的荷电状态SOC和健康状态SOP等）并发出控制指令（如MOS的通断等），因此其对电池管理系统的性能至关重要。通过控制MOS，AFE和MCU共同实现对电路的有效保护。
3. MOS

MOS，即Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor，通常被简称为场效应管。在电路中，它扮演着开关的角色，负责控制充电回路与放电回路的通断。由于其导通阻抗非常小，因此对电路性能的影响可以忽略不计。在正常工作状态下，保护电路的消耗电流维持在μA级别，通常不会超过7μA。
4. BMS一级保护的实现：控制IC与MOS的协同作用

锂电池若遭受过充、过放或过流等异常情况，将引发电池内部化学反应失控，严重影响电池性能与寿命，并可能产生大量气体，导致电池内部压力急剧上升，最终触发泄压阀开启，电解液喷出，引发热失控。为应对这些潜在风险，BMS系统会启动保护措施，具体执行流程如下：

上述内容可以概括为：
BMS系统在监测到锂电池遭受过充、过放或过流等异常情况时，会迅速启动保护措施，以防止电池内部化学反应失控，确保电池性能与寿命不受影响。这些保护措施包括控制IC与MOS的协同作用，以实现对电池的精细管理。
（二）二级保护电路：三端熔丝Fuse

为了进一步增强安全性，我们需要引入二级保护机制。目前，虽然REP（Resistor Embedded Protector，内置电阻保护器）的应用较为广泛，但三端熔丝Fuse因其成本效益优势，逐渐受到更多关注。

当电流超出安全范围时，三端熔丝Fuse会像普通熔丝一样熔断，起到保护作用。同时，若MOS运行状态出现异常，主控会主动控制三端熔丝进行熔断，确保设备安全。这种二级保护电路具有功耗低、响应迅速、保护效果出色等特点，在电动车、手机等众多设备中得到了广泛应用。