如何设计电池管理系统

在过去十年中，电池供电的应用已变得司空见惯，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 不仅从安全的角度来看至关重要，而且对于客户满意度也很重要。

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，也可以嵌入在 MCU 中。MCU 是 BMS 的核心元件，在与系统其余部分连接的同时从 AFE 和电量计获取信息。

图 1 BMS 架构框图。

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，断路器会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；但是，使用专用电量计 IC 有几个优点：

• 高效设计：使用专用 IC 运行复杂的电量计算法，设计人员可以使用规格较低的 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，从而影响运行时间和安全性。
• 快速上市：电量计 IC 已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 的主要目标是为电池组的 SoC（剩余运行时间/范围）和 SoH（寿命和状况）提供精确计算。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其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、容量和负载条件下对电池进行表征来生成的，以数学方式定义其开路电压以及电阻和电容组件。该模型使电量计的算法能够根据这些参数在不同运行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 进行测量的精度如何，计算结果都是不准确的。换句话说，

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。这一称为电压-电流同步读数的功能使电量计能够准确估计电池的等效串联电阻 (ESR)。由于 ESR 会随着不同的操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显示了同步读取的 SoC 误差如何显着低于没有同步读取的误差，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 中扮演的最重要的角色是保护管理。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 中实现故障控制，但这会导致更长的响应时间并需要 MCU 提供更多资源，从而增加固件的复杂性。

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 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，以获得更高级别的安全性和鲁棒性。

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通过 AFE 还是 MCU 控制故障响应和/或保护。

高侧与低侧电池保护

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，这些电路使用 N 沟道 MOSFET 实现，因为它们与 P 沟道 MOSFET 相比具有更低的内阻。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）。

高侧架构确保始终以良好的接地 (GND) 为参考，从而避免出现短路时的潜在安全和通信问题。此外，干净、稳定的 GND 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 置于电池正极时，驱动其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，这会增加总体成本和 IC 电流消耗。

对于低端配置，电荷泵不是必需的，因为保护 MOSFET 放置在电池的负极。然而，在低端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，高精度电荷泵控制支持 N 沟道 MOSFET 软开启功能，无需任何额外的预充电电路，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 的栅极电压实现的，允许小电流流过保护以对负载进行预充电（参见图 3）。可以配置几个参数以确保安全转换，例如最大允许电流，或直到保护 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。每个电池在理论上都是相同的，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，这些差异变得更加显着，通过限制其可用容量或潜在地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 中的被动单元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（参见图 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）。在决定内部平衡和外部平衡时，请考虑外部硬件的成本和目标平衡电流。

图 5内部单元平衡框图。

信元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，但意味着不能同时平衡连续的电池，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

如本文通篇所述，控制系统保护和故障响应的 AFE 在 BMS 设计中极为重要。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。

电池和电池组级故障，例如过压 (OV)、欠压 (UV)、过流 (OC)、短路 (SC)、过温 (OT) 和欠温 ( UT) 故障都应该被监控。但是，AFE 还可以为某些应用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，从而防止系统出现错误测量。当主 MCU 没有响应时，增强的看门狗定时器功能还可确保稳健性和安全性。

MP279x系列以高度可配置性提供上述故障保护，使用户能够为每个故障定义不同的阈值、去毛刺时间和滞后。这些器件还依靠两个不同的比较器来处理 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 采取任何措施。

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，而且还会提供不准确的电池 SoC 管理。这些不准确对产品的最终质量有非常重要的影响，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 时应该期待和寻找什么。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。