【BMS】电池能量管理：充电管理

电池包能量管理：充电管理

一、通信

充电是一个过程，需要电池包和充电器间进行频繁的通信，以保证电池安全和寿命。由于通信速率要求不高，以及精简接口的考虑，通常采用GPIO自定义单线通信。

1.典型电路

采用两路GPIO组成一个半双工的单总线：

注意：单总线的空闲状态为高电平。TX要开漏，RX要下降沿中断。

2.软件时序

需要定义出起始位、逻辑1、逻辑0：

电池包需要通知充电器开始充电（开始帧）、充电不同阶段可接受的充电倍率（过程帧）、充电保护（停止帧）、电量报满、风扇的开停、电池总电压、电池总电流、电芯温度等；
对于充电器来说，主要关注的是前三个，进而通过PWM控制电源开关芯片控制输出电流的大小，并通知电池包实际的充电电流，电池包将使用此电流值进行安时积分，计算SOC、充电次数（循环次数）等。

为了安全考虑，充电的通信以电池包为主导。当然，根据的策略的不同，充电器可按照电池包的指令执行，也可以当作建议处理。

二、充电过程

实际的充电过程取决于电芯规格书，下图采用常见的CC-CV（恒流恒压）方式充电：

充电过程中，各阶段的切换条件为测得的当前电压，控制对象为充电电流。例如：电压为1.5V时，控制充电电流为0.1C，当检测单节电压达到3.0V时，电池包将发送一帧数据给充电器，告知提供1C的充电电流。

️1.充电参数准备

根据当前温度和循环次数，计算各阶段和工况下充电截止电流和充电截止电压。还可以通过内阻来补偿截止电压。

2️.充电器识别

获取充电器额定电压和额定电流，与电池包的额定电压和额定电流比较。额定电压不匹配充电失败，匹配则比较额定电流，取较小值，开始充电。

3.预充电

预充电即涓流充电，一般采用0.1C倍率进行充电，若电池包容量为2Ah，则涓流值为0.2A。

4.恒流充电（CC）

恒流充电指以电芯标称容量的倍率进行充电（1C），充至 截止电压 ，受 1.充电参数准备 中条件影响。

5.恒压充电（CV）

恒压充电是一个向 截止电压 不断逼近的过程，电流不断减少，直至电流减为0，才结束充电。但一般会在恒流结束时就向充电器发送充满帧报满，充电灯显示充满。
在恒压充电的后期，由于有一些充电器的电流控制精度不够，达不到0.1C，会把0.1C认为0A，会出现反复开关的情况。

三、充电保护（重要）

二、充电过程中描述的属于理想充电过程，实际情况可能会在某一阶段触发保护，使充电中断或者失败，直接跳出流程。充电保护也属于充电的一部分。

充电前:

1.过温保护

电芯（如18650）一般的充电温度在0℃ ~ 45℃之间。

注意，上电过高温保护和充电过高温保护不同，此时还未进入充电环节，如果一上电环境温度就在45℃，那么开启充电后温度必然上升，便会触发充电过高温保护，所以一般会把上电过高温保护设置的更低，比如42℃。也就是说，一上电温度都这么高了，就没有开启充电的必要了。
低温不做特殊要求，以规格书为准（0℃）。

2. 电压过低不充电保护

上电时，单节电芯电压过低，一般指低于2V，不开启充电。

过程中:

1.预充电时间过长保护

预充电时间过长，一般指5min，意味着可能充电器故障没有提供电流或者电池组充不进电，应该及时中断充电。

2.单电芯压差过大保护

单节电芯压差过大，一般指0.5V，意味着电芯已经严重不均衡，可能单节电芯出现了问题，不予以充电。那么有人要问，为什么充电前不判断压差？
这里要提到内阻特性，如下图charge曲线，当SOC很低时，电芯内阻是较大的。根据U = R×I ，此时加电流，R越大，U越大，不同电芯间的差异将被放大，存在压差是正常的，不足以说明问题。

3.过温保护

已述，18650电芯一般的充电温度在0℃ ~ 45℃之间。没有疑问，这是充电过程中过温保护的范围。但是注意，环境温度是变化的，不可能一直过温，所以需要设置一个过温恢复的阈值。
这里有一个3℃的温度回差，防止充电器在0℃和45℃处反复横跳，低温恢复一般为3℃，高温一般在环境温度低于42℃时恢复充电。

4.单节电芯过压保护

对于18650电芯，当 单节电芯最高电压 达到4.3V，触发过压保护。

5.总电压过压保护

如4，当总电压达到 4.3×串联数 ，触发过压保护。

6.超容量保护

需要通过充电器给出的实时电流积分出已充容量，加上初始容量，如果超过了10%的标称容量，则触发保护。这样可以从容量和电压多个维度保护电池组。