如何設(shè)計(jì)電池管理系統(tǒng) (BMS)

完整的中低壓 BMS 的主要結(jié)構(gòu)通常由三個(gè) IC 組成：模擬前端 (AFE)、微控制器 (MCU) 和電量計(jì)（見(jiàn)圖 1）。電量計(jì)可以是獨(dú)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(jì)獲取信息并與系統(tǒng)的其余部分連接。

圖1：BMS架構(gòu)

AFE 為 MCU 和電量計(jì)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(shí)將電池與系統(tǒng)的其余部分?jǐn)嚅_(kāi)。

電量計(jì) IC 從 AFE 獲取讀數(shù)，然后使用復(fù)雜的電池建模和先進(jìn)算法來(lái)估計(jì)關(guān)鍵參數(shù)，例如充電狀態(tài) (SOC) 和健康狀態(tài) (SOH)。與AFE類(lèi)似，電量計(jì)的一些任務(wù)可以包含在MCU代碼中；然而，使用專(zhuān)用電量計(jì) IC（例如 MPS 的MPF4279x電量計(jì)系列）具有以下優(yōu)勢(shì)：

高效設(shè)計(jì)：使用專(zhuān)用 IC 運(yùn)行復(fù)雜的電量計(jì)算法，使設(shè)計(jì)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(zhuān)用電量計(jì)可以測(cè)量電池組中每個(gè)串聯(lián)電池組合的單獨(dú) SOC 和 SOH，從而在電池的使用壽命內(nèi)實(shí)現(xiàn)更精確的測(cè)量精度和老化檢測(cè)。這很重要，因?yàn)殡姵刈杩购腿萘靠赡軙?huì)隨著時(shí)間的推移而發(fā)生變化，從而導(dǎo)致運(yùn)行時(shí)間和安全問(wèn)題。

快速上市：電量計(jì)IC 針對(duì)各種情況和測(cè)試用例進(jìn)行了全面測(cè)試。這減少了測(cè)試復(fù)雜算法的時(shí)間和成本，同時(shí)加快了上市時(shí)間。

提高充電狀態(tài) (SOC) 和健康狀態(tài) (SOH) 精度

設(shè)計(jì)準(zhǔn)確的 BMS 的主要目標(biāo)是精確計(jì)算電池組的 SOC（剩余運(yùn)行時(shí)間/范圍）和 SOH（壽命和狀況）。 BMS 設(shè)計(jì)人員可能認(rèn)為實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)的唯一方法是使用非常昂貴的具有精確電池電壓測(cè)量容差的 AFE，但這只是整體計(jì)算精度的一個(gè)因素。最重要的因素是電量計(jì)電池模型和電量計(jì)算法，其次是 AFE 為電池電阻計(jì)算提供同步電壓-電流讀數(shù)的能力。

電量計(jì)使用其內(nèi)部算法來(lái)運(yùn)行復(fù)雜的計(jì)算，通過(guò)分析這些值與存儲(chǔ)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(cè)量值轉(zhuǎn)換為 SOC 和 SOH 輸出。電池模型是通過(guò)在不同溫度、容量和負(fù)載條件下表征電池來(lái)生成的，以數(shù)學(xué)方式定義其開(kāi)路電壓以及電阻和電容分量。該模型使電量計(jì)的算法能夠根據(jù)這些參數(shù)在不同操作條件下的變化來(lái)計(jì)算最佳 SOC。因此，如果電量計(jì)的電池模型或算法不準(zhǔn)確，則無(wú)論 AFE 的測(cè)量多么精確，所得計(jì)算結(jié)果也不準(zhǔn)確。換句話說(shuō)，采用高精度電量計(jì)對(duì) BMS 的 SOC 精度影響最大。

電壓-電流同步讀取

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(gè)電池提供實(shí)際的同步電流和電壓測(cè)量。此功能稱(chēng)為電壓-電流同步讀數(shù)，使電量計(jì)能夠準(zhǔn)確估計(jì)電池的等效串聯(lián)電阻 (ESR)。由于 ESR 會(huì)隨著不同的操作條件和時(shí)間而變化，因此實(shí)時(shí)估計(jì) ESR 可以實(shí)現(xiàn)更準(zhǔn)確的 SOC 估計(jì)。

圖 2 顯示了同步讀取時(shí)的 SOC 誤差如何顯著低于未同步讀取時(shí)的誤差，尤其是在幾個(gè)放電周期之后。這些結(jié)果是使用集成了 ESR 檢測(cè)和熱建模的MPF42791提取的。

圖 2：有和沒(méi)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(hù)管理。 AFE 可以直接控制保護(hù)電路，在檢測(cè)到故障時(shí)保護(hù)系統(tǒng)和電池。一些系統(tǒng)在 MCU 中實(shí)現(xiàn)故障控制，但這會(huì)導(dǎo)致響應(yīng)時(shí)間更長(zhǎng)，并且需要 MCU 提供更多資源，從而增加固件復(fù)雜性。

高級(jí) AFE 使用其 ADC 讀數(shù)和用戶(hù)配置來(lái)檢測(cè)任何故障情況。 AFE 通過(guò)打開(kāi)保護(hù) MOSFET 對(duì)故障做出反應(yīng)，以確保真正的硬件保護(hù)。 AFE 也經(jīng)過(guò)了全面測(cè)試，因此可以輕松保證強(qiáng)大的安全系統(tǒng)。這樣，MCU可以作為二級(jí)保護(hù)機(jī)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(hù)控制。這使得設(shè)計(jì)人員可以選擇是否通過(guò) AFE 或 MCU 控制故障響應(yīng)和/或保護(hù)。

高側(cè)與低側(cè)電池保護(hù)

設(shè)計(jì) BMS 時(shí)，重要的是要考慮電池保護(hù)斷路器的放置位置。通常，這些電路采用 N 溝道 MOSFET 實(shí)現(xiàn)，因?yàn)榕c 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(fù)極端子）。

高側(cè)架構(gòu)確保接地 (GND) 始終得到良好參考，從而避免出現(xiàn)短路時(shí)出現(xiàn)潛在的安全和通信問(wèn)題。此外，干凈、穩(wěn)定的 GND 連接有助于減少參考信號(hào)波動(dòng)，這對(duì)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(shí)，驅(qū)動(dòng)它們的柵極需要高于電池組電壓的電壓，這使得設(shè)計(jì)過(guò)程更具挑戰(zhàn)性。因此，集成到 AFE 中的專(zhuān)用電荷泵通常用于高側(cè)架構(gòu)，這會(huì)增加總體成本和 IC 電流消耗。

對(duì)于低側(cè)配置，不需要電荷泵，因?yàn)楸Ｗo(hù) MOSFET 放置在電池的負(fù)極。然而，在低側(cè)配置中實(shí)現(xiàn)有效通信更加困難，因?yàn)楫?dāng)保護(hù)打開(kāi)時(shí)沒(méi)有 GND 參考。

MP279x 系列采用高側(cè)架構(gòu)，可提供強(qiáng)大的保護(hù)，同時(shí)最大限度地減少 BOM。此外，高精度電荷泵控制可實(shí)現(xiàn) N 溝道 MOSFET 軟開(kāi)啟功能，無(wú)需任何額外的預(yù)充電電路，從而進(jìn)一步最小化 BOM 尺寸和成本。軟開(kāi)啟是通過(guò)緩慢增加保護(hù) FET 的柵極電壓來(lái)實(shí)現(xiàn)的，從而允許小電流流過(guò)保護(hù)以對(duì)負(fù)載進(jìn)行預(yù)充電（見(jiàn)圖 3）?？梢耘渲枚鄠€(gè)參數(shù)以確保安全轉(zhuǎn)換，例如最大允許電流或保護(hù) FET 關(guān)閉而不觸發(fā)故障的時(shí)間。

圖 3：MP279x 系列的軟啟動(dòng)方案

電池平衡以延長(zhǎng)電池壽命

為大型系統(tǒng)（例如電動(dòng)自行車(chē)或儲(chǔ)能）供電的電池組由許多串聯(lián)和并聯(lián)的電池組成。每個(gè)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(gè)電池的行為通常略有不同。隨著時(shí)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(xiǎn)情況，重要的是通過(guò)稱(chēng)為電池平衡的過(guò)程定期均衡串聯(lián)電池電壓。

被動(dòng)平衡是均衡電池電壓的最常見(jiàn)方法，它需要對(duì)充電最多的電池進(jìn)行放電，直到它們都具有相等的電荷。 MP279x 系列等 AFE 中的無(wú)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(huì)增加 BOM（見(jiàn)圖 4）。

圖 4：外部電池平衡

另一方面，內(nèi)部平衡不會(huì)增加 BOM，但通常會(huì)因散熱而將平衡電流限制為較低值（見(jiàn)圖 5）。在內(nèi)部平衡和外部平衡之間做出決定時(shí)，請(qǐng)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

電池平衡的另一個(gè)重要方面是物理連接。例如，MP279x AFE 系列使用相同的引腳進(jìn)行電壓檢測(cè)和平衡。這顯著減小了 IC 尺寸，但意味著無(wú)法同時(shí)平衡連續(xù)電池，從而增加了執(zhí)行電池平衡所需的時(shí)間。使用專(zhuān)用平衡引腳可減少平衡時(shí)間，但會(huì)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(hù)和故障響應(yīng)的 AFE 在 BMS 設(shè)計(jì)中極其重要。在打開(kāi)或關(guān)閉保護(hù) FET 之前，AFE 必須能夠檢測(cè)到這些不良情況。

電芯和電池組級(jí)故障，例如過(guò)壓 (OV)、欠壓 (UV)、過(guò)流 (OC)、短路 (SC)、過(guò)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(hù)和功能。例如，自測(cè)試允許 IC 檢測(cè)其內(nèi)部 ADC 是否出現(xiàn)故障，從而防止系統(tǒng)測(cè)量錯(cuò)誤。增強(qiáng)型看門(mén)狗定時(shí)器功能還可確保主 MCU 無(wú)響應(yīng)時(shí)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(hù)，使用戶(hù)能夠?yàn)槊總€(gè)故障定義不同的閾值、抗尖峰脈沖時(shí)間和遲滯。這些器件還依賴(lài)兩個(gè)不同的比較器來(lái)處理 SC 和 OC 故障情況，以最大限度地縮短響應(yīng)時(shí)間。它們還提供故障自動(dòng)恢復(fù)配置，這意味著它們可以自動(dòng)從大多數(shù)故障中恢復(fù)，而不需要 MCU 執(zhí)行任何操作。

審核編輯 黃宇