電池供電的應(yīng)用在過去十年中已變得司空見慣，此類設(shè)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(xiàn)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(zé)提供準(zhǔn)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(nèi)提供信息豐富且安全的用戶體驗。設(shè)計合適的 BMS 不僅從安全角度來看至關(guān)重要，而且對于客戶滿意度而言也至關(guān)重要。
完整的中低壓BMS的主要結(jié)構(gòu)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(gòu)框圖。
AFE 為 MCU 和電量計提供電池的電壓、溫度和電流讀數(shù)。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?jǐn)嚅_。
電量計 IC 從 AFE 獲取讀數(shù)，然后使用復(fù)雜的電池建模和高級算法來估計關(guān)鍵參數(shù)，例如 SoC 和 SoH。與AFE類似，電量計的一些任務(wù)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(shè)計：使用專用 IC 運行復(fù)雜的電量計算法，使設(shè)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(lián)電池組合的單獨 SoC 和 SoH，從而在電池的使用壽命內(nèi)實現(xiàn)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(dǎo)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(fù)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(shè)計準(zhǔn)確的 BMS 的主要目標(biāo)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(shè)計人員可能認(rèn)為實現(xiàn)這一目標(biāo)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(shù)的能力。
電量計使用其內(nèi)部算法運行復(fù)雜的計算，通過分析這些值與存儲在內(nèi)存中的特定電池模型的關(guān)系，將電壓、電流和溫度測量值轉(zhuǎn)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(shù)學(xué)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(jù)這些參數(shù)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(zhǔn)確，則無論 AFE 的測量多么精確，所得計算結(jié)果也不準(zhǔn)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(shù)
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(shù)，使電量計能夠準(zhǔn)確估計電池的等效串聯(lián)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(xiàn)更準(zhǔn)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(jié)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(xiàn)故障控制，但這會導(dǎo)致響應(yīng)時間更長，并且需要 MCU 提供更多資源，從而增加固件復(fù)雜性。
高級 AFE 使用其 ADC 讀數(shù)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(yīng)，以確保真正的硬件保護。 AFE 也經(jīng)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(shè)計人員可以選擇是否通過 AFE 或 MCU 控制故障響應(yīng)和/或保護。
高側(cè)與低側(cè)電池保護
設(shè)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(xiàn)，因為與 P 溝道 MOSFET 相比，它們的內(nèi)阻較低。這些斷路器可以放置在高壓側(cè)(電池的正極端子)或低壓側(cè)(電池的負極端子)。
高側(cè)架構(gòu)可確保接地 (GND) 始終得到良好參考，從而避免出現(xiàn)短路時出現(xiàn)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(guān)重要。
然而，當(dāng) N 溝道 MOSFET 放置在電池正極端子時，驅(qū)動它們的柵極需要高于電池組電壓的電壓，這使得設(shè)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(cè)架構(gòu)，這會增加總體成本和 IC 電流消耗。
對于低側(cè)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(cè)配置中實現(xiàn)有效通信更加困難，因為當(dāng)保護打開時沒有 GND 參考。
MP279x 系列采用高側(cè)架構(gòu)，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(xiàn) N 溝道 MOSFET 軟開啟功能，無需任何額外的預(yù)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(xiàn)的，允許小電流流過保護以對負載進行預(yù)充電(見圖3)?？梢耘渲枚鄠€參數(shù)以確保安全轉(zhuǎn)換，例如最大允許電流或保護 FET 關(guān)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(lián)和并聯(lián)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(xué)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(yán)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(lián)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(nèi)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(nèi)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(nèi)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(biāo)平衡電流。
圖 5內(nèi)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(yīng)的 AFE 在 BMS 設(shè)計中極其重要。在打開或關(guān)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(yīng)受到監(jiān)控。然而，AFE 還可以為某些應(yīng)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(nèi)部 ADC 是否出現(xiàn)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(yīng)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(yīng)時間。它們還提供故障自動恢復(fù)配置，這意味著它們可以自動從大多數(shù)故障中恢復(fù)，而不需要 MCU 執(zhí)行任何操作。
結(jié)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(dǎo)致電池SoC管理不準(zhǔn)確。這些不準(zhǔn)確性對產(chǎn)品的最終質(zhì)量有非常顯著的影響，因為它們可能導(dǎo)致潛在的危險故障，或?qū)τ脩趔w驗產(chǎn)生負面影響的故障。為了緩解這些問題，本文解釋了設(shè)計人員在設(shè)計 BMS 時應(yīng)該期望和尋找的內(nèi)容。
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