電池管理系統(tǒng)的幾個硬件設(shè)計關(guān)鍵點

01. 前言

電池管理系統(tǒng)（BatteryManagement System，BMS）的作用是智能化管理及維護(hù)各個電池單元，防止電池出現(xiàn)過放和過充，延長電池的使用壽命；并實時監(jiān)控電池的狀態(tài)，使其處于最佳的工作狀態(tài)。 在BMS的硬件設(shè)計過程中，有一些關(guān)鍵點需要我們重視并深入挖掘，例如溫度檢測、電壓檢測、電量均衡、電流檢測、預(yù)充預(yù)放、喚醒電路的設(shè)計等等，本文主要針對“溫度檢測”、“電壓檢測”以及“電量均衡”的功能原理和電路設(shè)計做一個說明。

02. 溫度檢測

1、功能說明

溫度檢測是BMS硬件的一個基礎(chǔ)功能，依據(jù)板上的不同器件，可以分為電芯溫度檢測、均衡電阻溫度檢測和MOS溫度檢測；依據(jù)電池不同的工作狀態(tài)，可以分為放電、充電和靜置（不放電也不充電）模式下的溫度檢測；依據(jù)溫度閾值，可以分為高溫告警、低溫告警和正常狀態(tài)。 溫度檢測可以實時監(jiān)測電池包的工作溫度，例如出現(xiàn)高溫告警時，立即停止充放電，防止溫度進(jìn)一步升高。同時上報云服務(wù)器（若有），確認(rèn)是否有必要通知相關(guān)人員趕往現(xiàn)場，降低熱失控的概率，即使已經(jīng)起火，也能在一定程度上避免更大的損失。

當(dāng)出現(xiàn)低溫告警時，BMS會立即停止充電，而放電還要根據(jù)實際溫度來做具體的判斷（一般鋰電池的充電溫度范圍是0~45℃、放電是-20~60℃）。低溫充電的風(fēng)險是析鋰，嚴(yán)重情況下會造成起火，主要是負(fù)極在低溫時的嵌鋰阻抗明顯大于正極脫鋰阻抗，鋰離子無法及時嵌入到負(fù)極當(dāng)中，從而引發(fā)析鋰、刺穿隔膜導(dǎo)致短路起火。

2、硬件電路

其實溫度檢測的電路非常簡單，如下圖2所示：搭建一個分壓電路，使用ADC去采集分壓后的電壓，因為NTC器件的阻值會隨著溫度的升高而降低，因此在不同溫度下可以采集到不同的電壓值，最后通過公式計算得到當(dāng)前的溫度值。 NTC阻值和溫度的公式如下：Rt = R *EXP(B*(1/T1-1/T2)) 這里T1和T2指的是K度（即開爾文溫度），K度=273.15（絕對溫度）+攝氏度；其中T2=(273.15+25)；Rt 是熱敏電阻在T1溫度下的阻值；R是熱敏電阻在T2常溫下的標(biāo)稱阻值；B值是熱敏電阻的重要參數(shù)；EXP是e的n次方。



圖2 溫度檢測電路

3、精度影響和參數(shù)設(shè)計

溫度采集精度是一個比較重要的指標(biāo)，從圖2的電路也可以看出，精度主要受以下幾個方面的影響：上拉電壓源的精度、AFE/MCU的參考電壓源精度、R1電阻的精度、NTC電阻的精度、ADC的采樣精度。

上拉電壓源和AFE/MCU的參考電壓源建議使用同一個，一般為LDO的輸出電壓，紋波較小，常見的是3.3V或者5V；C1可選擇100pF左右；R1電阻選擇1%精度；ADC采樣精度和處理器相關(guān)，精度提高成本也會有相應(yīng)的增加；下文對R1和NTC的參數(shù)選擇做一個詳細(xì)的說明： 首先是阻值的選擇，建議R1阻值=NTC常溫下的阻值，優(yōu)點是高低溫的測量范圍相差不大，如果某些特殊場景對于高溫或者低溫更加敏感的話，R1可以適當(dāng)調(diào)整；阻值越大功耗越低，但是精度也會有所下降；對于高溫精度要求高的可選擇高阻值、對于低溫精度要求高的可選擇低阻值。

其次是NTC電阻B值的選擇，B值越大，其阻值和溫度的關(guān)系圖斜率越大。

當(dāng)溫度低于25℃時，B值越大，同樣的溫度環(huán)境下NTC阻值越大；當(dāng)溫度高于25℃時，B值越大，同樣的溫度環(huán)境下NTC阻值越小。對于溫度精度高，但溫度范圍較窄的場景，可以選擇B值較大的NTC；對于溫度范圍較寬，特別是高溫測量有要求的場景，建議選擇B值較小的NTC。



圖3 不同B值下的NTC特性

TI的BQ76952芯片手冊推薦的是103-AT，B值=3435，相對較小，因為電芯和MOS溫度在極限工況下升溫較快，特別是MOS器件可以升至100℃以上。

圖4 TI-BQ76952NTC選型推薦

圖5 溫度電阻特性圖

03. 電壓檢測

1、功能說明

BMS的電壓檢測一般可分為B+電壓檢測、P+電壓檢測以及單串電芯電壓檢測，這里主要介紹的是單串電芯的檢測。 通過對單串電芯電壓的檢測，可以知道是否有電芯處于過放或者過充的狀態(tài)，一旦確認(rèn)異常馬上停止充電或者放電，然后再對電芯進(jìn)行電量均衡，一是保證電池的安全、二是延長電池的使用壽命。同時電壓檢測還能判斷BMS板和各個電芯之間的連接狀態(tài)，即斷線檢測，下文將進(jìn)行詳細(xì)的介紹。

2、硬件電路

下圖是AFE芯片BQ76952的官方硬件設(shè)計圖，可以看到每一串電芯都連接到了VC0~VC16引腳。 這里R2~R21的作用：一是設(shè)置固定的濾波截止頻率，匹配AFE內(nèi)部的濾波采樣電路與時間，實現(xiàn)高精度；二是熱插拔防護(hù)。考慮AFE通道的漏電流問題，如果漏電流大的話，該串阻一定不能太大，否則會在此處產(chǎn)生足以影響采樣精度的壓降；但是太小又會降低防護(hù)能力，可根據(jù)規(guī)格書進(jìn)行選擇，一般是20R~1KR的推薦值。



圖6 TI-BQ76952官方硬件設(shè)計圖

3、精度影響

圖7中的r代表電芯的內(nèi)阻和電芯銅排連接阻抗之和；Rc代表連接器的接觸阻抗與外部采樣線束的阻抗之和；Rm代表廠家推薦的采樣通道串聯(lián)電阻；Ri代表AFE內(nèi)部的等效電阻。r一般是幾mΩ，Rc一般是幾十mΩ，Rm是20Ω到1KΩ，Ri是MΩ級別。



圖7 電壓采樣等效圖

Rc是采樣線阻抗與連接器的接觸電阻之和，它最惡劣的情況是開路，但一般AFE都有斷線檢測機(jī)制，可以識別出來此故障；另外一種情況就是連接不良，此時阻抗可能很大，就會對電芯進(jìn)行分壓，進(jìn)而造成電壓采樣結(jié)果出現(xiàn)偏差。 理論上r+Rc+Rm越小、Ri越大、AFE內(nèi)部ADC精度越高，那么電壓的采樣精度也會越高。

4、斷線檢測

AFE的電壓檢測還集成了有一個重要功能：斷線檢測。 下面將介紹某款芯片的斷線檢測機(jī)制：在圖8中，某條采樣線處于斷開狀態(tài)，使用紅圈表示，此時這條采樣線的上下兩個電芯會被內(nèi)阻Ri進(jìn)行分壓，也會采集到一個“假的”電壓值，但實際這個電壓值不能代表電芯的真實電壓，如果它被當(dāng)做真實電壓使用，可能會造成過充或者過放。

因此，在其內(nèi)部采樣通道上，集成了一個開關(guān)和電阻Rpd，開關(guān)S分為奇數(shù)組和偶數(shù)組，同時只能閉合一組，即S2閉合時，S1與S3是斷開的，反之亦然；AFE去操作兩組開關(guān)，去得到兩組采樣值，如果當(dāng)其閉合時，采到的結(jié)果小于門限電壓（例如150mV），則判定為斷線。



圖8 電芯采樣斷線

舉個例子，假設(shè)電芯電壓為4V，Rm=1K，Rpd=1K（因為Ri阻值到了MΩ極，所以Ri對于Rpd的影響微乎其微），當(dāng)圖中的紅色圓圈處斷線，根據(jù)電阻分壓，當(dāng)S2閉合、S1和S3斷開時，V1-V0=4V，V2-V1≈0V，V3-V2≈8V（因為斷線的存在，導(dǎo)致幾乎沒有電流回路，V2和V1電壓基本相同）；當(dāng)S2斷開、S1和S3閉合時，V1-V0≈（Rm和Rpd3的分壓）=4V/2=2V，V3-V2≈0V，V2-V1≈12V-2V=10V。 當(dāng)S2閉合、S1和S3斷開時，V2-V1≈0V；當(dāng)S2斷開、S1和S3閉合時，V3-V2≈0V。兩種狀態(tài)都出現(xiàn)小于閾值150mV的情況，故判定為兩個電芯中間處斷線。



圖9 左圖閉合S2斷開S1S3、右圖斷開S2閉合S1S3

04. 均衡電路

1、功能說明

BMS的第三個重要功能是電量均衡，如下圖所示：當(dāng)電池在充電時，如果其中一節(jié)電芯最先達(dá)到滿充狀態(tài)，那么充電將停止，否則該節(jié)電芯可能會出現(xiàn)膨脹漏液甚至熱失控，此時其余串聯(lián)的電芯也不能再被充電，電池總體的能量利用率就會降低。當(dāng)電池放電時，如果其中一節(jié)電芯最先達(dá)到過放狀態(tài)，那么放電將停止，否則該節(jié)電芯會被過放損壞且不可恢復(fù)。BMS的均衡功能就是為了解決上述兩個問題。

均衡又分為主動均衡和被動均衡，主動均衡可以理解為能量的主動搬運，例如出現(xiàn)下圖的情況時，可以將100%的電芯電量轉(zhuǎn)移到90%的電芯中、也可以將50%的電芯電量轉(zhuǎn)移到10%的電芯中。在不計能量損耗的理想情況下，下左圖的3節(jié)電芯將變成(100+95+95)/3=96.7%、下右圖的3節(jié)電芯將變成(50+10+50)/3=36.7%。被動均衡則是被動消耗電芯的電量，一般使用電阻，不能實現(xiàn)電量的轉(zhuǎn)移。主動均衡電路復(fù)雜、成本高，被動均衡反之，本文主要介紹被動均衡。



圖10 電芯電量不均衡

2、硬件電路

AFE一般自帶內(nèi)部均衡，有的和采樣電路共用，有的需要單獨增加一路，如下圖所示。當(dāng)某節(jié)電芯的電壓過高，AFE會導(dǎo)通內(nèi)部MOS，此時在Rb（均衡電阻）和Rm（采樣電阻）會形成電流，從而消耗電芯電量。 需要注意的是，如果均衡和采樣共用一路，那么Rm的封裝需要適當(dāng)加大，并且均衡和采樣不能同時進(jìn)行，一般是交替均衡和采樣。



圖11 采樣和內(nèi)部均衡電路

但芯片自帶的內(nèi)部均衡電流較小，且容易造成芯片發(fā)熱，因此一般使用外置電阻。如下圖所示。對于AFE而言，是否有外部電阻它是無感知的，例如B24+的電壓過高需要消耗其電量，那么AFE內(nèi)部還是將VC8和VC7導(dǎo)通，此時Q109因為電阻R488的壓差也導(dǎo)通，電芯的電量由電阻R479消耗。



圖12 外部均衡電路

3、參數(shù)設(shè)計

對均衡電阻（R476為例）的選型，需要考慮其阻值、封裝和最大功率，因為被動均衡時電能會被轉(zhuǎn)換為熱能消耗掉。阻值越小，均衡速度越快、但是發(fā)熱也大，且不能超過電阻的最大工作功率；封裝越大散熱越快，但占用的PCB面積也越大。

以磷酸鐵鋰電池為例，單節(jié)電芯的最大電壓=3.65V，均衡電阻選擇51R，那么最大功率P=U*U/R=3.65*3.65/51≈0.27W，因此1210封裝以上都滿足（1210是1/3W、1812是1/2W、2010是3/4W）。 對于三極管（Q108）的選型，需要考慮VCE的耐壓值和IC值。MMBT5551的VCE=160V、IC=600mA、封裝SOT-23，滿足選型的要求。

R475和R478的選型需要注意以下幾點：

1、阻值不能太大，否則會影響VC0~VC16的采樣精度（有電流流過時，阻值越大，R475、R478上的電壓就越大）；

2、阻值不能太小，否則“R475+內(nèi)部MOS+R478”上消耗的熱能 > R476，不符合設(shè)計預(yù)期；

3、R478在均衡時的壓差需要保證Q108能被完全開啟，即VBE>0.6~1V。規(guī)格書推薦阻值是20~100Ω，考慮到對外的防護(hù)能力，圖12中選擇的是100Ω電阻，且VBE≈3/（100+45+100）*100=1.22V，滿足要求。





審核編輯：劉清