如何设计电池管理系统？

电池供电的应用在过去十年中变得司空见惯，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，防止电池出现退化、容量衰减甚至可能损害用户或周围环境的情况。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也至关重要。

用于低压或中压的完整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接口。

**图1 **BMS架构框图。

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AFE 为 MCU 和电量计提供来自电池的电压、温度和电流读数。由于AFE在物理上离电池最近，因此建议AFE还控制断路器，如果触发任何故障，则断路器将电池与系统其余部分断开。

电量计 IC 获取 AFE 的读数，然后使用复杂的单元建模和高级算法来估计关键参数，例如 SoC 和 SoH。与AFE类似，电量计的某些任务可以包含在MCU代码中;但是，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个 SoC 和 SoH，从而在电池的整个生命周期内实现更精确的测量精度和老化检测。这一点很重要，因为电池阻抗和容量会随着时间的推移而发散，从而导致运行时间和安全影响。
• 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

设计精确 BMS 时的主要目标是精确计算电池组的 SoC（剩余运行时间/范围）和 SoH（寿命和状况）。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，通过分析电压、电流和温度测量值与存储在其存储器中的特定单元模型的关系，将这些值转换为 SoC 和 SoH 输出。电池模型是通过表征不同温度、容量和负载条件下的电池来生成的，以数学方式定义其开路电压以及电阻和电容元件。该模型使电量计的算法能够根据这些参数在不同工作条件下的变化情况计算最佳SoC。因此，如果电量计的单元模型或算法不准确，则无论AFE的测量多么精确，结果计算都不准确。换句话说，实现高精度电量计对BMS的SoC精度影响最大。

电压-电流同步读数

尽管几乎所有AFE都为电压和电流提供不同的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 在不同的工作条件下和随时间而变化，因此实时估算 ESR 可以实现更准确的 SoC 估计。

图2显示了同步读数的SoC误差如何明显低于没有同步读数的误差，尤其是在几个放电周期之后。这些结果是使用MPF42791提取的，MPF<>集成了ESR检测和热建模。

**图2 **带和不带同步读数的 SoC 错误比较。

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中实现了故障控制，但这会导致更长的响应时间，并且需要MCU提供更多资源，从而增加了固件的复杂性。

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 来对故障做出反应，以确保真正的硬件保护。AFE也经过全面测试，这使得保证强大的安全系统变得简单。通过这种方式，MCU可以用作二级保护机制，以实现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。这允许设计人员选择是否通过AFE或MCU控制故障响应和/或保护。

高端与低端电池保护

在设计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）。

高边架构确保接地（GND）始终得到很好的参考，从而避免了短路时潜在的安全和通信问题。此外，与GND的干净、恒定连接有助于减少参考信号波动，这是MCU精确操作的关键。

然而，当N沟道MOSFET放置在电池正极端子中时，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端架构，这增加了总体成本和IC电流消耗。

对于低侧配置，由于保护MOSFET放置在电池的负极，因此不需要电荷泵。然而，在低端配置中实现有效通信更加困难，因为在保护断开时没有GND基准。

MP279x 系列采用高边架构，可提供强大的保护，同时最大限度地减少 BOM。此外，高精度电荷泵控制允许N沟道MOSFET软导通功能，无需任何额外的预充电电路，从而进一步最大限度地减小了BOM尺寸和成本。软导通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装置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闭合而不触发故障的时间。

**图3 **MP279x 系列的软开启方案。

电池平衡可延长电池寿命

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。每个电池在理论上是相同的，但由于制造公差和化学差异，每个细胞的行为通常略有不同。随着时间的推移，由于不同的工作条件和老化，这些差异变得更加显着，通过限制其可用容量或可能损坏电池来严重影响电池性能。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的电池电压。

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放电，直到它们都具有相等的电荷。AFE中的被动细胞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，但也增加了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，但由于散热，它通常会将平衡电流限制在较低的值（见 图5 ）。在决定内部和外部平衡时，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。

细胞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。这显著减小了IC尺寸，但意味着连续电池无法同时平衡，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缩短平衡时间，但会显著增加IC尺寸和总体成本。

AFE 安全功能

如本文所述，控制系统保护和故障响应的AFE在BMS设计中非常重要。在打开或关闭保护FET之前，AFE必须能够检测这些不良条件。

电池和电池组级故障，如过压 （OV）、欠压 （UV）、过流 （OC）、短路 （SC）、过热 （OT） 和欠温 （UT） 故障都应进行监控。但是，AFE 可以为某些应用程序提供其他有益的保护和功能。例如，自检允许IC检测其内部ADC是否出现故障，从而防止系统进行不正确的测量。增强的看门狗定时器功能还可确保主MCU无响应时的鲁棒性和安全性。

MP279x 系列提供上述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、去毛刺时间和迟滞。这些器件还依靠两种不同的比较器来应对SC和OC故障条件，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，而无需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，而且还提供不准确的电池SoC管理。这些不准确之处对产品的最终质量有非常重大的影响，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。详细了解电池管理系统的工作原理以及如何使用 MPS 的 BMS 评估套件进行设计。