電池技術(shù)的持續(xù)轉(zhuǎn)型促使許多新人學(xué)習(xí)設(shè)計(jì)電池管理系統(tǒng)。本文提供了電池管理系統(tǒng)（BMS）架構(gòu)的初學(xué)者指南，討論了主要功能塊，并解釋了每個(gè)模塊對(duì)電池管理系統(tǒng)的重要性。

介紹

當(dāng)今的電子設(shè)備具有更高的移動(dòng)性，并且比以往任何時(shí)候都更環(huán)保。電池的進(jìn)步正在推動(dòng)從便攜式電動(dòng)工具到插電式混合動(dòng)力電動(dòng)汽車和無線揚(yáng)聲器的各種產(chǎn)品的發(fā)展。

近年來，電池在尺寸和重量方面可以輸出多少功率的效率得到了顯著提高。想想汽車電池有多重和笨重。它的主要目的是啟動(dòng)汽車。隨著最近的進(jìn)步，您可以購(gòu)買鋰離子電池來啟動(dòng)您的汽車，它僅重幾磅，只有您的手掌大小。

圖1.電池管理系統(tǒng)構(gòu)建模塊的簡(jiǎn)化圖

裸金屬服務(wù)器構(gòu)建塊

電池管理系統(tǒng)可以由許多功能模塊組成，包括：截止FET、電量計(jì)監(jiān)視器、電池電壓監(jiān)視器、電池電壓平衡、實(shí)時(shí)時(shí)鐘（RTC）、溫度監(jiān)視器和狀態(tài)機(jī)。有許多類型的電池管理IC可供選擇。功能塊的分組差異很大，從提供平衡和監(jiān)控并需要微控制器（MCU）的簡(jiǎn)單模擬前端到自主運(yùn)行的獨(dú)立、高度集成的解決方案。現(xiàn)在，讓我們來看看每個(gè)塊背后的目的和技術(shù)，以及該技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)。

截止式場(chǎng)效應(yīng)晶體管和場(chǎng)效應(yīng)晶體管驅(qū)動(dòng)器

FET驅(qū)動(dòng)器功能模塊負(fù)責(zé)在負(fù)載和充電器之間連接和隔離電池組。FET驅(qū)動(dòng)器的行為基于電池電壓、電流測(cè)量和實(shí)時(shí)檢測(cè)電路的測(cè)量結(jié)果。圖2A和2B顯示了負(fù)載和充電器以及電池組之間的兩種不同類型的FET連接。

圖2.截止 FET 原理圖 （A） 負(fù)載和充電器的單連接 （B） 允許同時(shí)充電和放電的雙端子連接

圖 2A 需要最少的電池組連接次數(shù)，并將電池組工作模式限制為充電、放電或休眠。當(dāng)前流動(dòng)方向和特定實(shí)時(shí)測(cè)試的行為決定了設(shè)備的狀態(tài)。例如，瑞薩電子的ISL94203獨(dú)立電池組監(jiān)視器具有一個(gè)CHMON輸入，用于監(jiān)視截止FET右側(cè)的電壓。如果連接充電器并且電池組與充電器隔離，則注入電池組的電流將導(dǎo)致電壓上升到充電器的最大電源電壓。CHMON 的電壓電平跳閘，讓 BMS 設(shè)備知道存在充電器。通過向負(fù)載注入電流來確定是否存在負(fù)載來確定負(fù)載連接。如果注入電流時(shí)引腳上的電壓沒有顯著升高，則結(jié)果將確定存在負(fù)載。然后，F(xiàn)ET 驅(qū)動(dòng)器的 DFET 接通。圖2B的連接方案允許電池組在充電時(shí)工作。

FET驅(qū)動(dòng)器可以設(shè)計(jì)為連接到電池組的高邊或低邊。高端連接需要一個(gè)電荷泵驅(qū)動(dòng)器來激活NMOS FET。使用高端驅(qū)動(dòng)器可為電路的其余部分提供堅(jiān)實(shí)的接地基準(zhǔn)。低側(cè)FET驅(qū)動(dòng)器連接在一些集成解決方案中可以找到，以降低成本，因?yàn)椴恍枰姾杀?。低壓?cè)連接不需要高壓器件，后者占用更大的芯片面積。在低側(cè)使用截止FET會(huì)使電池組的接地連接浮動(dòng)，使其更容易受到注入測(cè)量的噪聲的影響，這可能會(huì)影響某些IC的性能。

電量計(jì)/電流測(cè)量

電量計(jì)功能塊跟蹤進(jìn)出電池組的電荷。電荷是電流和時(shí)間的乘積。在設(shè)計(jì)電量計(jì)時(shí)，可以使用幾種不同的技術(shù)。電流檢測(cè)放大器和集成低分辨率ADC的MCU是測(cè)量電流的一種方法。電流檢測(cè)放大器在高共模環(huán)境中工作并放大信號(hào)，從而實(shí)現(xiàn)更高分辨率的測(cè)量。這種設(shè)計(jì)技術(shù)犧牲了動(dòng)態(tài)范圍。其他技術(shù)包括使用高分辨率ADC，或購(gòu)買昂貴的電量計(jì)IC。了解負(fù)載在電流消耗與時(shí)間的關(guān)系方面的行為決定了最佳電量計(jì)設(shè)計(jì)類型。最準(zhǔn)確、最具成本效益的解決方案是使用具有低失調(diào)和高共模額定值的16位或更高ADC測(cè)量檢測(cè)電阻兩端的電壓。高分辨率ADC以犧牲速度為代價(jià)提供大動(dòng)態(tài)范圍。如果電池連接到不穩(wěn)定的負(fù)載（如電動(dòng)汽車），則慢速ADC可能會(huì)錯(cuò)過傳遞到負(fù)載的高幅度和高頻電流尖峰。對(duì)于不穩(wěn)定負(fù)載，可能更需要帶有電流檢測(cè)放大器前端的SAR ADC。任何失調(diào)誤差都會(huì)導(dǎo)致電池電量的總體誤差。隨著時(shí)間的推移，測(cè)量誤差將導(dǎo)致嚴(yán)重的電池組充電狀態(tài)誤差。在50位分辨率下，16μV或更小的測(cè)量失調(diào)足以測(cè)量電荷。

對(duì)于大多數(shù)電流測(cè)量模塊，都有模擬比較器監(jiān)控短路和過流情況。模擬比較器信號(hào)直接連接到FET驅(qū)動(dòng)器，以最大限度地減少事件與將電池組與負(fù)載或充電器隔離之間的延遲。對(duì)于大多數(shù)應(yīng)用來說，10 微秒的延遲時(shí)間就足夠了，在大多數(shù)應(yīng)用中，斷開電池連接的時(shí)間越快越好。

電池電壓和最長(zhǎng)電池壽命

監(jiān)測(cè)電池組中每個(gè)電池的電池電壓對(duì)于確定其整體健康狀況至關(guān)重要。所有電池都有一個(gè)工作電壓窗口，應(yīng)進(jìn)行充電和放電，以確保正常運(yùn)行和電池壽命。如果應(yīng)用使用鋰化學(xué)成分的電池，則工作電壓通常在2.5V至4.2V之間。電壓范圍取決于化學(xué)成分。在電壓范圍之外操作電池會(huì)顯著縮短電池的使用壽命，并可能使電池失效。電池串聯(lián)并聯(lián)以形成電池組。并聯(lián)增加了電池組的電流驅(qū)動(dòng)，而串聯(lián)連接增加了總電壓。電池電壓就像制造的所有東西一樣。電池的性能有一個(gè)分布：在時(shí)間等于零時(shí)，電池組內(nèi)的電池充電和放電速率相同。當(dāng)每個(gè)電池在充電和放電之間循環(huán)時(shí)，每個(gè)電池的充電和放電速率會(huì)發(fā)生變化，從而導(dǎo)致整個(gè)電池組的擴(kuò)散分布。確定電池組是否充電的一種簡(jiǎn)單方法是將每個(gè)電池的電壓監(jiān)測(cè)到設(shè)定的電壓水平。第一個(gè)達(dá)到電壓限值的電池電壓會(huì)觸發(fā)電池組充電限值。如果電池組的電池比平均電池弱，這將導(dǎo)致最弱的電池首先達(dá)到極限，而其余電池沒有充滿電。所述的充電方案不會(huì)使電池組每次充電的開啟時(shí)間最大化。充電方案還會(huì)縮短電池組的使用壽命，因?yàn)樾枰嗟某潆姾头烹娧h(huán)。較弱的細(xì)胞放電速度更快。放電循環(huán)中也發(fā)生相同類型的事件。較弱的電池首先觸發(fā)放電極限，其余電池剩余電荷。

圖3.不同類型的電池平衡 （A） 旁路電池平衡 FET 用于在充電周期內(nèi)減慢電池的充電速率（B） 在放電周期期間使用主動(dòng)平衡從強(qiáng)電池中竊取電荷并將電荷提供給弱電池

提高電池組每次充電的導(dǎo)通時(shí)間

有兩種方法可以改善電池組每次充電的導(dǎo)通時(shí)間。第一種是減慢最弱電池在充電周期中接收到的電荷，這是通過將旁路FET與電池兩端的限流電阻器連接來實(shí)現(xiàn)的（見圖3A）。這種方法從具有最高電流的電池中獲取電流，導(dǎo)致電池的充電速度減慢，從而使電池組中的其他電池能夠趕上。最終目標(biāo)是最大化電池組的充電容量，這是通過讓所有電池同時(shí)達(dá)到完全充電極限來實(shí)現(xiàn)的。

通過實(shí)施電荷置換方案，可以在放電循環(huán)中平衡電池組。電荷置換方案是通過電感耦合或電容存儲(chǔ)從α電池獲取電荷并將存儲(chǔ)的電荷注入最弱的電池來實(shí)現(xiàn)的。這減慢了最弱電池達(dá)到放電極限所需的時(shí)間。這稱為主動(dòng)平衡（見圖3B）。

多個(gè)串聯(lián)或并聯(lián)電池受益于平衡

具有一到四個(gè)并聯(lián)電池和三個(gè)或更多串聯(lián)電池的電池組從平衡中受益最大。隨著每個(gè)單元的并行組合增加，弱單元的性能與其他單元并行平均。單元之間的性能分布更緊密。并聯(lián)更多電池的好處也是不利的，因?yàn)樵陔姵亟M中很難找到較弱的電池。閑置的電池組可能會(huì)燃燒電荷，因?yàn)閺?qiáng)電池支撐著較弱的電池。

保護(hù)電池免受瞬態(tài)事件的影響

電池電壓和平衡電路在熱插拔事件中受到最嚴(yán)厲的處理。電池上沒有關(guān)閉按鈕。將電路連接到電池、負(fù)載或充電器可能會(huì)導(dǎo)致器件輸入端發(fā)生較大的瞬變。設(shè)計(jì)人員應(yīng)了解敏感引腳的最大額定值。引腳的最大額定電壓是確定瞬態(tài)事件損壞電路的可能性的關(guān)鍵規(guī)格。經(jīng)驗(yàn)法則是引腳的額定電壓越高，器件在抑制瞬變方面的魯棒性就越強(qiáng)。

采用高壓工藝設(shè)計(jì)的IC制造商確保器件免受瞬態(tài)事件的影響，但代價(jià)是采用大幾何尺寸的設(shè)計(jì)。這增加了設(shè)備的成本。其他IC制造商將使用低壓工藝進(jìn)行設(shè)計(jì)，并將器件堆疊在一起，使器件永遠(yuǎn)不會(huì)超過工藝額定值。這種方法依靠電容、電阻和二極管等電路在瞬態(tài)到達(dá)引腳之前對(duì)其進(jìn)行抑制。這兩種制造類型都需要使用二極管、電阻器和電容器來抑制瞬變。使用高額定電壓 IC 可進(jìn)一步防止有害和外來信號(hào)。這兩種設(shè)計(jì)方法都可以使用，但較低額定電壓的器件可能需要在開發(fā)階段進(jìn)行更多調(diào)整，以確保防止有害事件。

電壓電池測(cè)量的采集時(shí)間取決于負(fù)載行為以及要掃描的電池?cái)?shù)量。不穩(wěn)定的負(fù)載需要快速掃描時(shí)間來監(jiān)測(cè)細(xì)胞的越界情況。SAR ADC通常用于在短時(shí)間內(nèi)實(shí)現(xiàn)快速測(cè)量。SAR ADC消耗的功率更高，分辨率更低。

溫度監(jiān)測(cè)

今天的電池在保持恒定電壓的同時(shí)提供大量電流，這可能導(dǎo)致失控狀態(tài)，導(dǎo)致電池著火。用于制造電池的化學(xué)物質(zhì)具有高度揮發(fā)性，電池被正確的物體刺穿會(huì)導(dǎo)致電池著火。溫度測(cè)量不僅用于安全條件，還可用于確定是否需要對(duì)電池充電或放電。

溫度傳感器監(jiān)控儲(chǔ)能系統(tǒng)（ESS）應(yīng)用的每個(gè)電池，或監(jiān)測(cè)更小、更便攜應(yīng)用的一組電池。由內(nèi)部ADC基準(zhǔn)電壓源供電的熱敏電阻通常用于監(jiān)視每個(gè)電路的溫度。內(nèi)部基準(zhǔn)電壓源用于減少溫度讀數(shù)相對(duì)于環(huán)境溫度變化的不準(zhǔn)確性。

狀態(tài)機(jī)或算法

大多數(shù)電池管理系統(tǒng)都需要MCU或FPGA來管理來自傳感電路的信息，并根據(jù)接收到的信息做出決策。在少數(shù)產(chǎn)品中，例如瑞薩電子的ISL94203，該算法以一定的可編程性進(jìn)行編碼，以數(shù)字方式實(shí)現(xiàn)一個(gè)芯片的獨(dú)立解決方案。獨(dú)立解決方案在與MCU配合時(shí)也很有價(jià)值，因?yàn)楠?dú)立解決方案中的狀態(tài)機(jī)可用于釋放MCU時(shí)鐘周期和內(nèi)存空間。

其他電池管理系統(tǒng)構(gòu)建模塊

其他BMS功能模塊包括電池認(rèn)證、實(shí)時(shí)時(shí)鐘、存儲(chǔ)器和菊花鏈。實(shí)時(shí)時(shí)鐘和存儲(chǔ)器用于黑匣子應(yīng)用，其中RTC用于時(shí)間戳，存儲(chǔ)器用于存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，允許用戶在災(zāi)難性事件發(fā)生之前了解電池組的行為。電池認(rèn)證塊可防止 BMS 電子設(shè)備連接到第三方電池組。基準(zhǔn)電壓源/穩(wěn)壓器用于為 BMS 系統(tǒng)周圍的外圍電路供電。最后，菊花鏈電路用于簡(jiǎn)化堆疊設(shè)備之間的連接。菊花鏈塊取代了對(duì)光耦合器或其他電平轉(zhuǎn)換電路的需求。

結(jié)論

電池管理系統(tǒng)可以使用各種功能模塊和設(shè)計(jì)技術(shù)進(jìn)行架構(gòu)設(shè)計(jì)。仔細(xì)考慮電池要求和電池壽命目標(biāo)將指導(dǎo)您確定正確的架構(gòu)、功能模塊和相關(guān) IC，以創(chuàng)建電池管理系統(tǒng)和充電方案，以優(yōu)化電池壽命。