如何设计电池管理系统

电池供电的应用在过去十年中已变得司空见惯，此类设备需要一定程度的保护以确保安全使用。电池管理系统 (BMS) 监控电池和可能的故障情况，防止电池出现性能下降、容量衰减甚至可能对用户或周围环境造成伤害的情况。 BMS 还负责提供准确的充电状态 (SoC) 和健康状态 (SoH) 估计，以确保在电池的整个生命周期内提供信息丰富且安全的用户体验。设计合适的 BMS 不仅从安全角度来看至关重要，而且对于客户满意度而言也至关重要。

完整的中低压BMS的主要结构通常由三个IC组成：模拟前端(AFE)、微控制器(MCU)和电量计(见图1)。电量计可以是

独立的 IC，也可以嵌入到 MCU 中。 MCU 是 BMS 的核心元件，从 AFE 和电量计获取信息，同时与系统的其余部分连接。

图 1 BMS 架构框图。

AFE 为 MCU 和电量计提供电池的电压、温度和电流读数。由于 AFE 在物理上距离电池最近，因此建议 AFE 还控制断路器，以便在触发任何故障时将电池与系统的其余部分断开。

电量计 IC 从 AFE 获取读数，然后使用复杂的电池建模和高级算法来估计关键参数，例如 SoC 和 SoH。与AFE类似，电量计的一些任务可以包含在MCU代码中;然而，使用专用电量计 IC 具有以下几个优点：

· 高效设计：使用专用 IC 运行复杂的电量计算法，使设计人员能够使用规格较低的 MCU，从而降低总体成本和电流消耗。

· 提高洞察力和安全性：专用电量计可以测量电池组中每个串联电池组合的单独 SoC 和 SoH，从而在电池的使用寿命内实现更精确的测量精度和老化检测。这很重要，因为电池阻抗和容量可能会随着时间的推移而发生变化，从而导致运行时间和安全问题。

· 快速上市：电量计 IC 针对各种情况和测试用例进行了全面测试。这减少了测试复杂算法的时间和成本，同时加快了上市时间。

提高 SoC 和 SoH 精度

设计准确的 BMS 的主要目标是对电池组的 SoC(剩余运行时间/范围)和 SoH(寿命和状况)进行精确计算。 BMS 设计人员可能认为实现这一目标的唯一方法是使用具有精确电池电压测量容差的非常昂贵的 AFE，但这只是整体计算精度的一个因素。最重要的因素是电量计电池模型和电量计算法，其次是 AFE 为电池电阻计算提供同步电压-电流读数的能力。

电量计使用其内部算法运行复杂的计算，通过分析这些值与存储在内存中的特定电池模型的关系，将电压、电流和温度测量值转换为 SoC 和 SoH 输出。电池模型是通过在不同温度、容量和负载条件下表征电池来生成的，以数学方式定义其开路电压以及电阻和电容分量。该模型使电量计的算法能够根据这些参数在不同操作条件下的变化情况来计算最佳 SoC。因此，如果电量计的电池模型或算法不准确，则无论 AFE 的测量多么精确，所得计算结果也不准确。换句话说，实施高精度电量计对 BMS SoC 精度的影响最大。

电压电流同步读数

尽管几乎所有 AFE 都提供不同的电压和电流 ADC，但并非所有 AFE 都为每个电池提供实际的同步电流和电压测量。此功能称为电压-电流同步读数，使电量计能够准确估计电池的等效串联电阻 (ESR)。由于 ESR 会随着不同的工作条件和时间而变化，因此实时估计 ESR 可以实现更准确的 SoC 估计。

图 2显示了同步读取时的 SoC 误差如何显着低于未同步读取时的误差，尤其是在几个放电周期之后。这些结果是使用集成了 ESR 检测和热建模的MPF42791提取的。

图 2有和没有同步读取的 SoC 误差比较。

AFE 直接故障控制

如前所述，AFE 在 BMS 中最重要的作用是保护管理。 AFE 可以直接控制保护电路，在检测到故障时保护系统和电池。一些系统在 MCU 中实现故障控制，但这会导致响应时间更长，并且需要 MCU 提供更多资源，从而增加固件复杂性。

高级 AFE 使用其 ADC 读数和用户配置来检测任何故障情况。 AFE 通过打开保护 MOSFET 对故障做出反应，以确保真正的硬件保护。 AFE 也经过了全面测试，因此可以轻松保证强大的安全系统。这样，MCU可以作为二级保护机制，获得更高水平的安全性和鲁棒性。

MP279x 系列集成了两种形式的保护控制。这使得设计人员可以选择是否通过 AFE 或 MCU 控制故障响应和/或保护。

高侧与低侧电池保护

设计 BMS 时，重要的是要考虑电池保护断路器的放置位置。通常，这些电路采用 N 沟道 MOSFET 实现，因为与 P 沟道 MOSFET 相比，它们的内阻较低。这些断路器可以放置在高压侧(电池的正极端子)或低压侧(电池的负极端子)。

高侧架构可确保接地 (GND) 始终得到良好参考，从而避免出现短路时出现潜在的安全和通信问题。此外，干净、恒定的 GND 连接有助于减少参考信号波动，这对于 MCU 的精确操作至关重要。

然而，当 N 沟道 MOSFET 放置在电池正极端子时，驱动它们的栅极需要高于电池组电压的电压，这使得设计过程更具挑战性。因此，集成到 AFE 中的专用电荷泵通常用于高侧架构，这会增加总体成本和 IC 电流消耗。

对于低侧配置，不需要电荷泵，因为保护 MOSFET 放置在电池的负极。然而，在低侧配置中实现有效通信更加困难，因为当保护打开时没有 GND 参考。

MP279x 系列采用高侧架构，可提供强大的保护，同时最大限度地减少 BOM。此外，高精度电荷泵控制可实现 N 沟道 MOSFET 软开启功能，无需任何额外的预充电电路，从而进一步最小化 BOM 尺寸和成本。软开启是通过缓慢增加保护 FET 的栅极电压来实现的，允许小电流流过保护以对负载进行预充电(见图3)。可以配置多个参数以确保安全转换，例如最大允许电流或保护 FET 关闭而不触发故障的时间。

图 3 MP279x 系列的软启动方案。

电池平衡以延长电池寿命

为大型系统(例如电动自行车或储能)供电的电池组由许多串联和并联的电池组成。每个电池理论上都是相同的，但由于制造公差和化学差异，每个电池的行为通常略有不同。随着时间的推移，由于不同的操作条件和老化，这些差异变得更加明显，限制其可用容量或可能损坏电池，从而严重影响电池性能。为了避免这些危险情况，重要的是通过称为电池平衡的过程定期均衡串联电池电压。

被动平衡是均衡电池电压的最常见方法，它需要对充电最多的电池进行放电，直到它们都具有相等的电荷。 AFE 中的无源电池平衡可以在外部或内部完成。外部平衡允许更大的平衡电流，但也会增加 BOM(见图4)。

图 4外部电池平衡框图。

另一方面，内部平衡不会增加 BOM，但通常会因散热而将平衡电流限制在较低值(见图5)。在内部平衡和外部平衡之间做出决定时，请考虑外部硬件的成本和目标平衡电流。

图 5内部电池平衡框图。

电池平衡的另一个重要方面是物理连接。例如，MP279x AFE 系列使用相同的引脚进行电压检测和平衡。这显着减小了 IC 尺寸，但意味着无法同时平衡连续电池，从而增加了执行电池平衡所需的时间。使用专用平衡引脚可减少平衡时间，但会显着增加 IC 尺寸和总体成本。

AFE 安全功能

正如本文所述，控制系统保护和故障响应的 AFE 在 BMS 设计中极其重要。在打开或关闭保护 FET 之前，AFE 必须能够检测到这些不良情况。

电芯和电池组级故障，例如过压 (OV)、欠压 (UV)、过流 (OC)、短路 (SC)、过温 (OT) 和欠温 ( UT)故障均应受到监控。然而，AFE 还可以为某些应用提供其他有益的保护和功能。例如，自测试允许 IC 检测其内部 ADC 是否出现故障，从而防止系统测量错误。增强型看门狗定时器功能还可确保主 MCU 无响应时的稳健性和安全性。

MP279x 系列提供了上面列出的具有高度可配置性的故障保护，使用户能够为每个故障定义不同的阈值、抗尖峰脉冲时间和迟滞。这些器件还依赖两个不同的比较器来处理 SC 和 OC 故障情况，以最大限度地缩短响应时间。它们还提供故障自动恢复配置，这意味着它们可以自动从大多数故障中恢复，而不需要 MCU 执行任何操作。

结论

BMS 监控电池组以保护电池和系统的其余部分。不合格的BMS不仅会降低系统的安全性，还会导致电池SoC管理不准确。这些不准确性对产品的最终质量有非常显着的影响，因为它们可能导致潜在的危险故障，或对用户体验产生负面影响的故障。为了缓解这些问题，本文解释了设计人员在设计 BMS 时应该期望和寻找的内容。