两轮BMS 防打火策略详解

BMS 防打火策略详解

本文基于量产 60V BMS（STM32F0 + SH367306 AFE），拆解"防打火"的原理与软件实现。

一、为什么会打火？

电动两轮车的电机控制器输入端有大容量电解电容（通常几千 µF）。BMS 输出端与控制器之间通过接插件连接。

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BMS 电池 ────[接插件]──── 电机控制器
                             │
                          ┌──┴──┐
                          │ 电容  │  ← 几千 µF，初始电压 0V
                          └─────┘

当接插件插入瞬间，电池电压（60V+）直接加到 0V 的电容上。电容充电电流 I = C × dV/dt，在 µs 级时间内电流可达几百安------接插件触点处产生电弧（打火），长期会烧蚀触点、熔毁接插件、甚至击穿 MOS。

二、怎么防？------预充电路

在放电主回路之外加一条预充支路：一个小功率 MOS 串一个 22Ω 限流电阻。

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电池+ ──┬── 放电 MOS ──────────┬── 负载+
        │                      │
        └── 预充 MOS ── 22Ω ──┘

流程：

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1. 预充 MOS 导通，放电 MOS 断开 → 电流经 22Ω 电阻给负载电容充电
   最大电流 = 60V / 22Ω ≈ 2.7A（安全）

2. 等待电容电压充到接近电池电压（数百 ms）

3. 放电 MOS 导通，预充 MOS 断开 → 正常放电，无打火

三、软件实现：Idle 状态机

PMM 模块在空闲模式下有一个四级状态机（PMM.c:35-39）：

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kIdleInit ──→ kIdleFirePrevent ──→ kIdlePowerOn ──→ 放电模式

3.1 kIdleInit ------ 初始化防打火

防打火使能：闭合充电 MOS + 预充 MOS，断开放电 MOS
检测到放电电流 > 30mA（用户拧电门）→ 进入 kIdleFirePrevent
防打火未使能：直接闭合放电 MOS，跳过预充

3.2 kIdleFirePrevent ------ 执行预充时序

PMM.c:156-175：

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// 阶段1：预充 MOS 断开 200ms
s_TimeDelay < 200ms → PreMos_Ctrl = 0

// 阶段2：预充 MOS 闭合 500ms（电流经 22Ω 给电容充电）
200ms ≤ s_TimeDelay < 900ms → PreMos_Ctrl = 1

// 阶段3：预充完成，标记防打火结束，跳转
s_TimeDelay ≥ 900ms → FirePreventEnd_flg = 1 → 进入 kIdlePowerOn

整个预充时序持续约 900ms：200ms 断开（等待） + 500ms 导通（充电容） + 200ms 余量。

3.3 kIdlePowerOn ------ 闭合主回路

预充完成后，放电 MOS 闭合，预充 MOS 断开，进入正常放电模式。

3.4 防打火重新开启

放电结束后电流归零超过 2 秒 ，s_FirePreventEnd_flg 自动清零，下次再有电流时重新走防打火流程。

3.5 什么时候触发防打火？

防打火只在 "负载电容可能已经放空了" 的时候触发，不是每次有电流都走。

触发（三种情况）：

场景	触发原因
BMS 上电启动	默认 `IdleStMachine = kIdleInit`，直接走防打火
空闲时无电流 > 2s	电容可能通过漏电流放空，`FirePreventEnd_flg` 自动清零
充电 > 3 分钟后回空闲	`IdleStMachine` 重置为 `kIdleInit`

不触发：

从放电模式退出回空闲时，跳过防打火 ，直接跳到 kIdlePowerOn：

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// 从放电退出到idle模式,先到poweron模式
// (退到init中立刻拧电门有掉电的风险)
IdleStMachine_enum = kIdlePowerOn;

因为刚放完电，负载电容还满着------不需要预充。而且用户可能是等红灯松油门，马上又要拧------如果每次都走 700ms 防打火，体验会很差。

四、短路保护联动

短路发生后，即使 AFE 已经在 50µs 关断了放电 MOS，MCU 端的 PreChgIf 也会主动闭合预充 MOS（PreChgIf.c:122-125）：

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// 发生短路，强制进行预充
if(g_Afe1SampleRawData.ShortCircuitPreChg_Cnt != 0)
{
    g_PreChg_cmd = 1U;  // 强制闭合预充 MOS
}

短路可能是负载电容充电的瞬时大电流导致的误判------强制预充相当于给电容一次"温柔充电"的机会，如果充满后不再触发短路，说明是容性负载而非真短路。

五、预充电路故障检测

预充支路通过 ADC 检测预充电阻上的电流（PreChgIf.c:137）：

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// 22Ω 采样电阻，ADC 读数换算为电流
g_PreChgCurrent_mA = ADC值 × 33 × 10 × 1000 / (4095 × 22);

如果预充电流 > 2A 持续 1s ，判定预充电路故障（电阻短路或 MOS 击穿），上报 PreChgCircuitFlt，同时禁用防打火功能。

六、关键参数

参数	值	说明
预充电阻	22Ω	限流，60V 电池最大预充电流 ~2.7A
预充等待	200ms	断开等待
预充导通	500ms	电容充电时间
预充总时长	~900ms
防打火重开	无电流 2s	自动重置
预充故障判定	>2A 持续 1s	电阻短路/MOS 击穿

七、200ms 断开阶段的作用

用户拧电门 → kIdleInit 检测到电流 → 进入 kIdleFirePrevent → 预充 MOS 先断开 200ms。

这 200ms 不是充电容，而是状态复位：

进入 kIdleFirePrevent 之前，预充 MOS 在 kIdleInit 里已经是闭合的。先断开才有明确的预充起点
给电路一个静默窗口，等残余电流或接触抖动消退
如果 200ms 内电流归零，说明用户只是碰了一下油门而非真要骑车，不需要后续流程

八、为什么用时间预估而不是检测外侧电压？

更好的方案是：外侧加电压采集 → 读到 V_out ≈ V_bat 就切主 MOS。但这需要一路 ADC + 两个分压电阻（60V → 3.3V），板子上没做纯粹是省成本。

时间预估为什么够用？最差情况：

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预充电阻 22Ω，负载电容 5000µF：
  τ = 22 × 0.005 = 110ms
  5τ = 550ms → 充到 99%

实际给 500ms，电容再大也充到 95%，压差仅 ~3V，残余电流 < 140mA → 不打火

如果有外侧电压采集，逻辑可以简化成两个状态，还能额外获得：自适应电容、预充超时故障检测、MOS 粘连检测、接插件松动检测------但代价就是那两个电阻。

本文基于量产 BMS 代码分析。