在過去十年中，電池供電應用已變得十分普遍，此類設備需要一定程度的保護才能確保安全使用。電池管理系統(tǒng) (BMS) 可監(jiān)控電池和可能的故障情況，防止電池出現(xiàn)性能下降、容量衰減甚至可能對用戶或周圍環(huán)境造成危害的情況。BMS 還負責提供準確的充電狀態(tài) (SoC) 和健康狀態(tài) (SoH) 估計，以確保在電池的整個使用壽命期間提供豐富且安全的用戶體驗。設計合適的 BMS 不僅從安全角度至關重要，而且對于客戶滿意度也至關重要。

低壓或中壓 BMS 的完整結(jié)構(gòu)通常由三個 IC 組成：模擬前端 (AFE)、微控制器 (MCU) 和電量計。電量計可以是獨立 IC，也可以嵌入 MCU 中。MCU 是 BMS 的核心元件，它從 AFE 和電量計獲取信息，同時與系統(tǒng)的其余部分交互。

AFE 為 MCU 和電量計提供電池的電壓、溫度和電流讀數(shù)。由于 AFE 在物理上最靠近電池，因此建議 AFE 還控制斷路器，如果觸發(fā)任何故障，斷路器會將電池與系統(tǒng)其余部分斷開。

電量計 IC 從 AFE 獲取讀數(shù)，然后使用復雜的單元建模和高級算法來估算關鍵參數(shù)，例如 SoC 和 SoH。與 AFE 類似，電量計的一些任務可以包含在 MCU 代碼中;但是，使用專用電量計 IC 具有以下幾個優(yōu)點：

· 高效設計：使用專用IC運行復雜的電量計算法，允許設計人員使用規(guī)格較低的MCU，從而降低總體成本和電流消耗。

· 提高洞察力和安全性：專用電量計可以測量電池組中每個串聯(lián)電池組合的單獨 SoC 和 SoH，從而實現(xiàn)更精確的測量精度和電池使用壽命內(nèi)的老化檢測。這一點很重要，因為電池阻抗和容量會隨著時間的推移而發(fā)生變化，從而影響運行時間和安全性。

· 快速上市：電量計 IC 經(jīng)過了各種情況和測試案例的全面測試。這減少了測試復雜算法的時間和成本，同時加快了上市時間。

提高 SoC 和 SoH 準確性

設計精確的 BMS 的主要目標是為電池組的 SoC(剩余運行時間/續(xù)航里程)和 SoH(壽命和狀態(tài))提供精確的計算。BMS 設計人員可能認為實現(xiàn)此目標的唯一方法是使用具有精確電池電壓測量公差的非常昂貴的 AFE，但這只是整體計算精度的一個因素。最重要的因素是電量計電池模型和電量計算法，其次是 AFE 為電池電阻計算提供同步電壓-電流讀數(shù)的能力。

電量計使用其內(nèi)部算法來運行復雜的計算，通過分析這些值與存儲在其內(nèi)存中的特定電池模型之間的關系，將電壓、電流和溫度測量值轉(zhuǎn)換為 SoC 和 SoH 輸出。電池模型是通過在不同溫度、容量和負載條件下表征電池來生成的，以數(shù)學方式定義其開路電壓以及電阻和電容元件。該模型使電量計的算法能夠根據(jù)這些參數(shù)在不同工作條件下的變化來計算最佳 SoC。因此，如果電量計的電池模型或算法不準確，則無論 AFE 的測量有多精確，最終的計算也不準確。換句話說，采用高精度電量計對 BMS 的 SoC 精度影響最大。

電壓電流同步讀取

盡管幾乎所有 AFE 都為電壓和電流提供不同的 ADC，但并非所有 AFE 都為每個電池提供實際的同步電流和電壓測量。此功能稱為電壓-電流同步讀數(shù)，使電量計能夠準確估算電池的等效串聯(lián)電阻 (ESR)。由于 ESR 在不同的操作條件下和隨時間而變化，因此實時估算 ESR 可以更準確地估算 SoC。

同步讀取時的 SoC 誤差明顯低于非同步讀取時的誤差，尤其是在幾個放電周期之后。這些結(jié)果是使用集成了 ESR 檢測和熱建模的MPF42791得出的。

AFE 直接故障控制

如前所述，AFE 在 BMS 中扮演的最重要角色是保護管理。AFE 可以直接控制保護電路，在檢測到故障時保護系統(tǒng)和電池。一些系統(tǒng)在 MCU 中實現(xiàn)故障控制，但這會導致更長的響應時間并需要 MCU 提供更多資源，從而增加固件復雜性。

高級 AFE 使用其 ADC 讀數(shù)和用戶配置來檢測任何故障情況。AFE 通過打開保護 MOSFET 來對故障做出反應，以確保真正的硬件保護。AFE 也經(jīng)過全面測試，這使得保證系統(tǒng)安全可靠變得簡單。這樣，MCU 可以用作二級保護機制，以實現(xiàn)更高級別的安全性和穩(wěn)健性。

MP279x 系列集成了兩種保護控制形式。這使得設計人員可以選擇通過 AFE 還是 MCU 來控制故障響應和/或保護。

高端與低端電池保護

在設計 BMS 時，重要的是要考慮電池保護斷路器的放置位置。通常，這些電路采用 N 通道 MOSFET 實現(xiàn)，因為它們與 P 通道 MOSFET 相比具有較低的內(nèi)部電阻。這些斷路器可以放置在高壓側(cè)(電池的正極)或低壓側(cè)(電池的負極)。

高端架構(gòu)可確保接地 (GND) 始終有良好的參考，從而避免短路時出現(xiàn)潛在的安全和通信問題。此外，干凈、穩(wěn)定的 GND 連接有助于減少參考信號波動，這是 MCU 精確運行的關鍵。

然而，當 N 溝道 MOSFET 位于電池正極時，驅(qū)動其柵極需要高于電池組電壓的電壓，這使得設計過程更具挑戰(zhàn)性。因此，集成在 AFE 中的專用電荷泵通常用于高端架構(gòu)，這會增加整體成本和 IC 電流消耗。

對于低端配置，由于保護 MOSFET 位于電池負極，因此無需使用電荷泵。然而，在低端配置中實現(xiàn)有效通信更加困難，因為當保護打開時沒有 GND 參考。

MP279x 系列采用高側(cè)架構(gòu)，可提供強大的保護功能，同時最大限度地減少 BOM。此外，高精度電荷泵控制可實現(xiàn) N 通道 MOSFET 軟開啟功能，無需任何額外的預充電電路，從而進一步減少 BOM 尺寸和成本。軟開啟是通過緩慢增加保護 FET 的柵極電壓來實現(xiàn)的，允許小電流流過保護裝置以對負載進行預充電?？梢耘渲枚鄠€參數(shù)以確保安全轉(zhuǎn)換，例如允許的最大電流或保護 FET 關閉而不觸發(fā)故障的時間。

通過電池平衡延長電池壽命

為大型系統(tǒng)(例如電動自行車或儲能系統(tǒng))供電的電池組由許多串聯(lián)和并聯(lián)的電池組成。每個電池在理論上都是相同的，但由于制造公差和化學差異，每個電池的行為通常略有不同。隨著時間的推移，由于不同的操作條件和老化，這些差異變得更加明顯，通過限制其可用容量或可能損壞電池，嚴重影響電池性能。為了避免這些危險情況，重要的是通過稱為電池平衡的過程定期均衡串聯(lián)電池電壓。

被動平衡是均衡電池電壓的最常見方法，它需要對充電最多的電池進行放電，直到所有電池都具有相等的電量。AFE 中的被動電池平衡可以通過外部或內(nèi)部實現(xiàn)。外部平衡允許更大的平衡電流，但也會增加 BOM。

另一方面，內(nèi)部平衡不會增加 BOM，但由于散熱原因，它通常會將平衡電流限制在較低值。在內(nèi)部和外部平衡之間做出選擇時，請考慮外部硬件的成本和目標平衡電流。

電池平衡的另一個重要方面是物理連接。例如，MP279x AFE 系列使用相同的引腳進行電壓感測和平衡。這顯著減少了 IC 尺寸，但意味著連續(xù)的電池無法同時平衡，從而增加了執(zhí)行電池平衡所需的時間。使用專用的平衡引腳可以縮短平衡時間，但會顯著增加 IC 尺寸和總體成本。

AFE 安全功能

正如本文所述，控制系統(tǒng)保護和故障響應的 AFE 在 BMS 設計中極其重要。在打開或關閉保護 FET 之前，AFE 必須能夠檢測到這些不良情況。

電池和電池組級故障，例如過壓 (OV)、欠壓 (UV)、過流 (OC)、短路 (SC)、過溫 (OT) 和欠溫 (UT) 故障，都應受到監(jiān)控。但是，AFE 還可以為某些應用提供其他有益的保護和功能。例如，自檢允許 IC 檢測其內(nèi)部 ADC 是否發(fā)生故障，從而防止系統(tǒng)測量錯誤。增強的看門狗定時器功能還可在主 MCU 無響應時確保穩(wěn)健性和安全性。

MP279x 系列提供上述故障保護，具有高度可配置性，使用戶能夠為每個故障定義不同的閾值、去尖峰時間和滯后。這些設備還依靠兩個不同的比較器來處理 SC 和 OC 故障情況，以最大限度地縮短響應時間。它們還提供故障自動恢復配置，這意味著它們可以自動從大多數(shù)故障中恢復，而無需 MCU 采取任何行動。

結(jié)論

BMS監(jiān)視電池組，以保護電池和系統(tǒng)的其他部分。不合格的BMS不僅降低了系統(tǒng)的安全性，而且還提供了不準確的電池SoC管理。這些不準確度對產(chǎn)品的最終質(zhì)量有非常顯著的影響，因為它們可能導致潛在的危險故障，或?qū)τ脩趔w驗產(chǎn)生負面影響的故障。為了減輕這些問題，本文解釋了設計人員在設計BMS時應該期望和尋找什么。了解更多關于電池管理系統(tǒng)是如何工作的，以及如何用MPS的BMS評估工具包來設計它們。