揭開電池管理系統(tǒng)的神秘面紗

現(xiàn)在的電子設(shè)備具有更高的移動(dòng)性并且比以前更綠色，電池技術(shù)進(jìn)步推動(dòng)了這一進(jìn)展，并惠及了包括便捷式電動(dòng)工具、插電式混合動(dòng)力車、無線揚(yáng)聲器在內(nèi)的廣泛產(chǎn)品。近年來，電池效率(輸出功率/尺寸比)和重量均出現(xiàn)大幅改善。試想一下汽車電池得多龐大和笨重，其主要用途是啟動(dòng)汽車。隨著技術(shù)的最新進(jìn)展，你可以改用鋰離子電池來迅速啟動(dòng)汽車，其重量只有幾磅，尺寸也就人手那么大。

電池技術(shù)的不斷變化促使許多新手學(xué)習(xí)如何設(shè)計(jì)電池管理系統(tǒng)。本文提供了有關(guān)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)功能塊對(duì)BMS系統(tǒng)的重要性。

圖 SEQ Figure * ARABIC 1：電池管理系統(tǒng)(BMS)功能塊的簡(jiǎn)化示意圖。

電池管理系統(tǒng)架構(gòu)

電池管理系統(tǒng)(BMS)通常包含若干功能塊，如：FET驅(qū)動(dòng)、電流監(jiān)控、單電池電壓監(jiān)視器、單電池電壓均衡、實(shí)時(shí)時(shí)鐘、溫度監(jiān)控和狀態(tài)機(jī)。市場(chǎng)上有多種類型的BMS IC。從簡(jiǎn)單的模擬前端(如提供均衡和監(jiān)測(cè)功能并需要微控制器的ISL94208)到自主運(yùn)行的獨(dú)立集成解決方案(如ISL94203)，功能塊的分組存在很大差異?，F(xiàn)在我們來看每個(gè)功能塊的用途和所使用的技術(shù)，以及每種技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)。

關(guān)斷FET和FET驅(qū)動(dòng)器

FET驅(qū)動(dòng)器功能塊負(fù)責(zé)電池組的連接以及負(fù)載與充電器之間的隔離。FET驅(qū)動(dòng)器的行為可根據(jù)單電池電壓測(cè)量值、電流測(cè)量值和實(shí)時(shí)檢測(cè)電路進(jìn)行操控。圖2(a) 和 2(b)描述了負(fù)載與充電器及電池組之間的兩種不同F(xiàn)ET連接。

圖 SEQ Figure * ARABIC 2：不同連接的截止FET原理圖：(a)負(fù)載與充電器之間的單一連接，(b)允許同時(shí)充電和放電的二端子連接。

圖2(a)需要最少的電池組連接數(shù)，且電池組工作模式限于充電、放電或休眠。電流方向和具體實(shí)時(shí)檢測(cè)的行為決定了器件的狀態(tài)。例如，ISL94203有一個(gè)CHMON，用于監(jiān)測(cè)截止FET右側(cè)上的電壓。如果充電器已連接且電池組與之隔離，則注入電池組的電流將使電壓上升至充電器的最大供電電壓。這時(shí)，CHMON所在位置的電壓電平升高(tripped)，讓BMS器件知道已連接充電器。負(fù)載連接是通過以下方式來確定的：向負(fù)載方向注入電流，以確定負(fù)載是否存在。如果引腳所在位置的電壓在電流注入時(shí)沒有顯著上升，則表明負(fù)載還在。然后FET驅(qū)動(dòng)器的DFET繼續(xù)斷開。圖2(b)的連接方案允許電池組在充電時(shí)可以支持放電工作。

可以設(shè)計(jì)FET驅(qū)動(dòng)器來連接至電池組的高端或低端。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)器可使電路其余部分具有穩(wěn)固的接地基準(zhǔn)。低端FET驅(qū)動(dòng)器連接見于一些集成解決方案，用以降低成本，因?yàn)檫@時(shí)無需電荷泵。低端連接也不需要高電壓器件，它會(huì)占用更大的芯片面積。在低端上截止FET會(huì)使電池組的接地點(diǎn)連接浮接，使之易受注入測(cè)量的噪聲的影響——這會(huì)影響一些IC的性能。

電量計(jì) / 電流測(cè)量

電量計(jì)功能模塊負(fù)責(zé)記錄流入和流出電池組的電荷。電荷是電流與時(shí)間之積。設(shè)計(jì)電量計(jì)時(shí)可使用多種不同的技術(shù)。測(cè)量電流的方法之一是使用電流感測(cè)放大器和帶有嵌入式低分辨率ADC的MCU。電流運(yùn)算放大器在高共模環(huán)境中工作，它負(fù)責(zé)放大分流器上差分信號(hào)，以支持更高的測(cè)量分辨率。這種設(shè)計(jì)技術(shù)以犧牲動(dòng)態(tài)范圍為代價(jià)。其他技術(shù)使用高分辨率ADC，或昂貴的電量計(jì)IC。了解負(fù)載行為的電流消耗-時(shí)間關(guān)系可確定電量計(jì)設(shè)計(jì)的最佳類型。

最準(zhǔn)確和經(jīng)濟(jì)的解決方案是使用具有低漂移和高共模額定值的16位或更高分辨率ADC來測(cè)量感測(cè)電阻器上的電壓。高分辨率ADC提供大的動(dòng)態(tài)范圍，但以犧牲速度為代價(jià)。如果電池連接到不規(guī)則荷載，如電動(dòng)車，則慢速ADC有可能錯(cuò)過流向負(fù)載的高振幅和高頻電流尖峰。對(duì)于不規(guī)則荷載，使用可能帶有電流運(yùn)算放大器前端的SAR ADC可能更為理想。任何偏移誤差都會(huì)影響總誤差(以電池電荷數(shù)量來衡量)。隨著時(shí)間的推移，測(cè)量誤差會(huì)造成嚴(yán)重的充電狀態(tài)電池組誤差。在測(cè)量電荷時(shí)，50uV 或更小的測(cè)量偏移在 16位分辨率就足夠。

單電池電壓和最大限度延長電池壽命

監(jiān)測(cè)電池組中每個(gè)單電池的電壓對(duì)確定電池組的整體健康狀況是必不可少的。所有單電池都有一個(gè)工作電壓窗口，充電/放電應(yīng)當(dāng)在此期間進(jìn)行，以確保正常工作和電池壽命。如果一個(gè)應(yīng)用使用的是鋰離子化學(xué)電池，則典型工作電壓范圍為2.5V - 4.2V。電壓范圍取決于化學(xué)過程。使電池工作電壓超出電壓范圍會(huì)顯著縮短單電池的壽命，并可能使得該單電池失效。

單電池通過串聯(lián)或并聯(lián)方式形成電池組。并聯(lián)會(huì)增加電池組的電流，串聯(lián)會(huì)增加總電壓。單電池的性能遵循下面的分布：當(dāng)時(shí)間等于零時(shí)，電池組中單電池的充電和放電速度相同。由于每個(gè)單電池都是交替進(jìn)行充放電，所以每個(gè)單電池的充電和放電速度存在差異，這會(huì)導(dǎo)致在電池組上的擴(kuò)散性分布。確定電池組是否已充電的簡(jiǎn)單方法是，按照設(shè)定電壓水平監(jiān)視每個(gè)單電池的電壓。第一個(gè)達(dá)到該電壓限值的單電池電壓會(huì)使電池組充電限值脫扣。電池組包含弱于平均值的單電池會(huì)導(dǎo)致最弱單電池首先達(dá)到限值，從而阻礙其余單電池充滿電。如前所述，充電方案不能使電池組每次充電的ON時(shí)間達(dá)到最大化。充電方案會(huì)因?yàn)樾枰喑潆姾头烹娧h(huán)而縮短電池組的壽命。較弱的單電池放電速度較快。這種情況也會(huì)出現(xiàn)在放電周期。較弱的單電池會(huì)首先達(dá)到過放電門限值關(guān)斷，使得其余單電池仍有剩余電荷。

圖 SEQ Figure * ARABIC 3：此圖顯示了不同類型的單電池平衡：(a)使用旁路單電池平衡FET來減慢單電池在充電周期的充電速度。(b)在放電周期內(nèi)使用主動(dòng)平衡從強(qiáng)單電池“偷取”電荷并將該電荷給予弱單電池。

改善電池組每次充電的ON時(shí)間有兩種方法。第一種方法是在充電周期內(nèi)減慢對(duì)最弱單電池的充電速度。具體做法是將一個(gè)旁路FET與單電池上的電流限制電阻器相連接，參見圖3(a)。這會(huì)從具有最高電流的單電池分流電流，使得該單電池充電速度下降，相對(duì)地提高其他單電池的充電速度。最終目的是使電池組的蓄電量達(dá)到最大化。這是通過使所有單電池同時(shí)達(dá)到滿充門限值來實(shí)現(xiàn)的。

采用電荷移動(dòng)方案可使電池組在放電周期實(shí)現(xiàn)平衡，具體做法是通過電感耦合或電容性儲(chǔ)存從強(qiáng)的電池取得能量，并將儲(chǔ)存的電能注入最弱的單電池。這會(huì)減慢最弱單電池達(dá)到放電門限值的速度。該過程稱為主動(dòng)平衡，參見圖3(b)。

溫度監(jiān)測(cè)

現(xiàn)在的電池可輸出大電流并保持恒定電壓。這會(huì)導(dǎo)致失控(runaway)情況的出現(xiàn)，引起電池著火。用于制造電池的化學(xué)物質(zhì)是高度不穩(wěn)定的。用某些東西刺穿電池會(huì)使電池著火。溫度測(cè)量不只出于安全考慮，還可用于確定溫度是否適合電池充電或放電。

溫度傳感器負(fù)責(zé)監(jiān)測(cè)能量?jī)?chǔ)存系統(tǒng)(ESS)應(yīng)用中的每個(gè)單電池，或者更小、更便攜的應(yīng)用中的一組單電池的溫度。通常使用由內(nèi)部ADC電壓基準(zhǔn)供電的熱敏電阻來監(jiān)測(cè)每個(gè)電路的溫度。內(nèi)部電壓基準(zhǔn)用于降低溫度讀數(shù)相對(duì)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)BMS系統(tǒng)都需要使用微控制器或FPGA來管理來自感測(cè)電路的信息，然后用收到的信息做出決定。有少數(shù)產(chǎn)品(如ISL94203)包含相關(guān)算法，具有一定的可編程性，以數(shù)字方式支持實(shí)現(xiàn)采用單芯片的獨(dú)立解決方案。獨(dú)立解決方案還能很好地與微控制器配合使用，因?yàn)楠?dú)立解決方案的狀態(tài)機(jī)可用于釋放MCU時(shí)鐘周期和內(nèi)存空間。

其他BMS構(gòu)塊

其他BMS功能塊包括電池認(rèn)證、實(shí)時(shí)時(shí)鐘、內(nèi)存和菊鏈。實(shí)時(shí)時(shí)鐘和內(nèi)存用于黑箱應(yīng)用。實(shí)時(shí)時(shí)鐘用作時(shí)戳，內(nèi)存用于存儲(chǔ)數(shù)據(jù)。這可以讓用戶知道電池組在災(zāi)難事件前的行為。電池認(rèn)證功能塊用于防止BMS電子系統(tǒng)連接至第三方電池組。電壓基準(zhǔn)/穩(wěn)壓器用于為BMS系統(tǒng)的外圍電路供電。最后，菊鏈電路用于簡(jiǎn)化不同器件之間的連接。菊鏈功能塊可消除了對(duì)光耦或其他電平位移電路的需要。

結(jié)束語

電池管理系統(tǒng)架構(gòu)可使用許多功能塊和設(shè)計(jì)技術(shù)。認(rèn)真考慮電池要求和電池壽命目標(biāo)有助于確定合適的架構(gòu)、功能塊和相關(guān)集成電路，進(jìn)而創(chuàng)建電池管理系統(tǒng)和充電方案，以優(yōu)化電池壽命。