電池供電的應用在過去十年中已變得司空見慣，此類設備需要一定程度的保護以確保安全使用。電池管理系統(tǒng) (BMS) 監(jiān)控電池和可能的故障情況，防止電池出現性能下降、容量衰減甚至可能對用戶或周圍環(huán)境造成傷害的情況。 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生命周期內提供信息豐富且安全的用戶體驗。設計合適的 BMS 不僅從安全角度來看至關重要，而且對于客戶滿意度而言也至關重要。

完整的中低壓BMS的主要結構通常由三個IC組成：模擬前端(AFE)、微控制器(MCU)和電量計(見圖1)。電量計可以是

獨立的 IC，也可以嵌入到 MCU 中。 MCU 是 BMS 的核心元件，從 AFE 和電量計獲取信息，同時與系統(tǒng)的其余部分連接。

圖 1 BMS 架構框圖。

AFE 為 MCU 和電量計提供電池的電壓、溫度和電流讀數。由于 AFE 在物理上距離電池最近，因此建議 AFE 還控制斷路器，以便在觸發(fā)任何故障時將電池與系統(tǒng)的其余部分斷開。

電量計 IC 從 AFE 獲取讀數，然后使用復雜的電池建模和高級算法來估計關鍵參數，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;然而，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，使設計人員能夠使用規(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電池組合的單獨 SoC 和 SoH，從而在電池的使用壽命內實現更精確的測量精度和老化檢測。這很重要，因為電池阻抗和容量可能會隨著時間的推移而發(fā)生變化，從而導致運行時間和安全問題。

· 快速上市：電量計 IC 針對各種情況和測試用例進行了全面測試。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 精度

設計準確的 BMS 的主要目標是對電池組的 SoC(剩余運行時間/范圍)和 SoH(壽命和狀況)進行精確計算。 BMS 設計人員可能認為實現這一目標的唯一方法是使用具有精確電池電壓測量容差的非常昂貴的 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-電流讀數的能力。

電量計使用其內部算法運行復雜的計算，通過分析這些值與存儲在內存中的特定電池模型的關系，將電壓、電流和溫度測量值轉換為 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，以數學方式定義其開路電壓以及電阻和電容分量。該模型使電量計的算法能夠根據這些參數在不同操作條件下的變化情況來計算最佳 SoC。因此，如果電量計的電池模型或算法不準確，則無論 AFE 的測量多么精確，所得計算結果也不準確。換句話說，實施高精度電量計對 BMS SoC 精度的影響最大。

電壓電流同步讀數

盡管幾乎所有 AFE 都提供不同的電壓和電流 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，使電量計能夠準確估計電池的等效串聯電阻 (ESR)。由于 ESR 會隨著不同的工作條件和時間而變化，因此實時估計 ESR 可以實現更準確的 SoC 估計。

圖 2顯示了同步讀取時的 SoC 誤差如何顯著低于未同步讀取時的誤差，尤其是在幾個放電周期之后。這些結果是使用集成了 ESR 檢測和熱建模的MPF42791提取的。

圖 2有和沒有同步讀取的 SoC 誤差比較。

AFE 直接故障控制

如前所述，AFE 在 BMS 中最重要的作用是保護管理。 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 中實現故障控制，但這會導致響應時間更長，并且需要 MCU 提供更多資源，從而增加固件復雜性。

高級 AFE 使用其 ADC 讀數和用戶配置來檢測任何故障情況。 AFE 通過打開保護 MOSFET 對故障做出反應，以確保真正的硬件保護。 AFE 也經過了全面測試，因此可以輕松保證強大的安全系統(tǒng)。這樣，MCU可以作為二級保護機制，獲得更高水平的安全性和魯棒性。

MP279x 系列集成了兩種形式的保護控制。這使得設計人員可以選擇是否通過 AFE 或 MCU 控制故障響應和/或保護。

高側與低側電池保護

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 溝道 MOSFET 實現，因為與 P 溝道 MOSFET 相比，它們的內阻較低。這些斷路器可以放置在高壓側(電池的正極端子)或低壓側(電池的負極端子)。

高側架構可確保接地 (GND) 始終得到良好參考，從而避免出現短路時出現潛在的安全和通信問題。此外，干凈、恒定的 GND 連接有助于減少參考信號波動，這對于 MCU 的精確操作至關重要。

然而，當 N 溝道 MOSFET 放置在電池正極端子時，驅動它們的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，集成到 AFE 中的專用電荷泵通常用于高側架構，這會增加總體成本和 IC 電流消耗。

對于低側配置，不需要電荷泵，因為保護 MOSFET 放置在電池的負極。然而，在低側配置中實現有效通信更加困難，因為當保護打開時沒有 GND 參考。

MP279x 系列采用高側架構，可提供強大的保護，同時最大限度地減少 BOM。此外，高精度電荷泵控制可實現 N 溝道 MOSFET 軟開啟功能，無需任何額外的預充電電路，從而進一步最小化 BOM 尺寸和成本。軟開啟是通過緩慢增加保護 FET 的柵極電壓來實現的，允許小電流流過保護以對負載進行預充電(見圖3)。可以配置多個參數以確保安全轉換，例如最大允許電流或保護 FET 關閉而不觸發(fā)故障的時間。

圖 3 MP279x 系列的軟啟動方案。

電池平衡以延長電池壽命

為大型系統(tǒng)(例如電動自行車或儲能)供電的電池組由許多串聯和并聯的電池組成。每個電池理論上都是相同的，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，限制其可用容量或可能損壞電池，從而嚴重影響電池性能。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，直到它們都具有相等的電荷。 AFE 中的無源電池平衡可以在外部或內部完成。外部平衡允許更大的平衡電流，但也會增加 BOM(見圖4)。

圖 4外部電池平衡框圖。

另一方面，內部平衡不會增加 BOM，但通常會因散熱而將平衡電流限制在較低值(見圖5)。在內部平衡和外部平衡之間做出決定時，請考慮外部硬件的成本和目標平衡電流。

圖 5內部電池平衡框圖。

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檢測和平衡。這顯著減小了 IC 尺寸，但意味著無法同時平衡連續(xù)電池，從而增加了執(zhí)行電池平衡所需的時間。使用專用平衡引腳可減少平衡時間，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。

電芯和電池組級故障，例如過壓 (OV)、欠壓 (UV)、過流 (OC)、短路 (SC)、過溫 (OT) 和欠溫 ( UT)故障均應受到監(jiān)控。然而，AFE 還可以為某些應用提供其他有益的保護和功能。例如，自測試允許 IC 檢測其內部 ADC 是否出現故障，從而防止系統(tǒng)測量錯誤。增強型看門狗定時器功能還可確保主 MCU 無響應時的穩(wěn)健性和安全性。

MP279x 系列提供了上面列出的具有高度可配置性的故障保護，使用戶能夠為每個故障定義不同的閾值、抗尖峰脈沖時間和遲滯。這些器件還依賴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故障中恢復，而不需要 MCU 執(zhí)行任何操作。

結論

BMS 監(jiān)控電池組以保護電池和系統(tǒng)的其余部分。不合格的BMS不僅會降低系統(tǒng)的安全性，還會導致電池SoC管理不準確。這些不準確性對產品的最終質量有非常顯著的影響，因為它們可能導致潛在的危險故障，或對用戶體驗產生負面影響的故障。為了緩解這些問題，本文解釋了設計人員在設計 BMS 時應該期望和尋找的內容。