電池技術(shù)的持續(xù)轉(zhuǎn)型促使許多新人學習設計電池管理系統(tǒng)。本文提供了電池管理系統(tǒng)（BMS）架構(gòu)的初學者指南，討論了主要功能塊，并解釋了每個模塊對電池管理系統(tǒng)的重要性。

介紹

當今的電子設備具有更高的移動性，并且比以往任何時候都更環(huán)保。電池的進步正在推動從便攜式電動工具到插電式混合動力電動汽車和無線揚聲器的各種產(chǎn)品的發(fā)展。

近年來，電池在尺寸和重量方面可以輸出多少功率的效率得到了顯著提高。想想汽車電池有多重和笨重。它的主要目的是啟動汽車。隨著最近的進步，您可以購買鋰離子電池來啟動您的汽車，它僅重幾磅，只有您的手掌大小。

圖1.電池管理系統(tǒng)構(gòu)建模塊的簡化圖

裸金屬服務器構(gòu)建塊

電池管理系統(tǒng)可以由許多功能模塊組成，包括：截止FET、電量計監(jiān)視器、電池電壓監(jiān)視器、電池電壓平衡、實時時鐘（RTC）、溫度監(jiān)視器和狀態(tài)機。有許多類型的電池管理IC可供選擇。功能塊的分組差異很大，從提供平衡和監(jiān)控并需要微控制器（MCU）的簡單模擬前端到自主運行的獨立、高度集成的解決方案?，F(xiàn)在，讓我們來看看每個塊背后的目的和技術(shù)，以及該技術(shù)的優(yōu)缺點。

截止式場效應晶體管和場效應晶體管驅(qū)動器

FET驅(qū)動器功能模塊負責在負載和充電器之間連接和隔離電池組。FET驅(qū)動器的行為基于電池電壓、電流測量和實時檢測電路的測量結(jié)果。圖2A和2B顯示了負載和充電器以及電池組之間的兩種不同類型的FET連接。

圖2.截止 FET 原理圖 （A） 負載和充電器的單連接 （B） 允許同時充電和放電的雙端子連接

圖 2A 需要最少的電池組連接次數(shù)，并將電池組工作模式限制為充電、放電或休眠。當前流動方向和特定實時測試的行為決定了設備的狀態(tài)。例如，瑞薩電子的ISL94203獨立電池組監(jiān)視器具有一個CHMON輸入，用于監(jiān)視截止FET右側(cè)的電壓。如果連接充電器并且電池組與充電器隔離，則注入電池組的電流將導致電壓上升到充電器的最大電源電壓。CHMON 的電壓電平跳閘，讓 BMS 設備知道存在充電器。通過向負載注入電流來確定是否存在負載來確定負載連接。如果注入電流時引腳上的電壓沒有顯著升高，則結(jié)果將確定存在負載。然后，F(xiàn)ET 驅(qū)動器的 DFET 接通。圖2B的連接方案允許電池組在充電時工作。

FET驅(qū)動器可以設計為連接到電池組的高邊或低邊。高端連接需要一個電荷泵驅(qū)動器來激活NMOS FET。使用高端驅(qū)動器可為電路的其余部分提供堅實的接地基準。低側(cè)FET驅(qū)動器連接在一些集成解決方案中可以找到，以降低成本，因為不需要電荷泵。低壓側(cè)連接不需要高壓器件，后者占用更大的芯片面積。在低側(cè)使用截止FET會使電池組的接地連接浮動，使其更容易受到注入測量的噪聲的影響，這可能會影響某些IC的性能。

電量計/電流測量

電量計功能塊跟蹤進出電池組的電荷。電荷是電流和時間的乘積。在設計電量計時，可以使用幾種不同的技術(shù)。電流檢測放大器和集成低分辨率ADC的MCU是測量電流的一種方法。電流檢測放大器在高共模環(huán)境中工作并放大信號，從而實現(xiàn)更高分辨率的測量。這種設計技術(shù)犧牲了動態(tài)范圍。其他技術(shù)包括使用高分辨率ADC，或購買昂貴的電量計IC。了解負載在電流消耗與時間的關(guān)系方面的行為決定了最佳電量計設計類型。最準確、最具成本效益的解決方案是使用具有低失調(diào)和高共模額定值的16位或更高ADC測量檢測電阻兩端的電壓。高分辨率ADC以犧牲速度為代價提供大動態(tài)范圍。如果電池連接到不穩(wěn)定的負載（如電動汽車），則慢速ADC可能會錯過傳遞到負載的高幅度和高頻電流尖峰。對于不穩(wěn)定負載，可能更需要帶有電流檢測放大器前端的SAR ADC。任何失調(diào)誤差都會導致電池電量的總體誤差。隨著時間的推移，測量誤差將導致嚴重的電池組充電狀態(tài)誤差。在50位分辨率下，16μV或更小的測量失調(diào)足以測量電荷。

對于大多數(shù)電流測量模塊，都有模擬比較器監(jiān)控短路和過流情況。模擬比較器信號直接連接到FET驅(qū)動器，以最大限度地減少事件與將電池組與負載或充電器隔離之間的延遲。對于大多數(shù)應用來說，10 微秒的延遲時間就足夠了，在大多數(shù)應用中，斷開電池連接的時間越快越好。

電池電壓和最長電池壽命

監(jiān)測電池組中每個電池的電池電壓對于確定其整體健康狀況至關(guān)重要。所有電池都有一個工作電壓窗口，應進行充電和放電，以確保正常運行和電池壽命。如果應用使用鋰化學成分的電池，則工作電壓通常在2.5V至4.2V之間。電壓范圍取決于化學成分。在電壓范圍之外操作電池會顯著縮短電池的使用壽命，并可能使電池失效。電池串聯(lián)并聯(lián)以形成電池組。并聯(lián)增加了電池組的電流驅(qū)動，而串聯(lián)連接增加了總電壓。電池電壓就像制造的所有東西一樣。電池的性能有一個分布：在時間等于零時，電池組內(nèi)的電池充電和放電速率相同。當每個電池在充電和放電之間循環(huán)時，每個電池的充電和放電速率會發(fā)生變化，從而導致整個電池組的擴散分布。確定電池組是否充電的一種簡單方法是將每個電池的電壓監(jiān)測到設定的電壓水平。第一個達到電壓限值的電池電壓會觸發(fā)電池組充電限值。如果電池組的電池比平均電池弱，這將導致最弱的電池首先達到極限，而其余電池沒有充滿電。所述的充電方案不會使電池組每次充電的開啟時間最大化。充電方案還會縮短電池組的使用壽命，因為需要更多的充電和放電循環(huán)。較弱的細胞放電速度更快。放電循環(huán)中也發(fā)生相同類型的事件。較弱的電池首先觸發(fā)放電極限，其余電池剩余電荷。

圖3.不同類型的電池平衡 （A） 旁路電池平衡 FET 用于在充電周期內(nèi)減慢電池的充電速率（B） 在放電周期期間使用主動平衡從強電池中竊取電荷并將電荷提供給弱電池

提高電池組每次充電的導通時間

有兩種方法可以改善電池組每次充電的導通時間。第一種是減慢最弱電池在充電周期中接收到的電荷，這是通過將旁路FET與電池兩端的限流電阻器連接來實現(xiàn)的（見圖3A）。這種方法從具有最高電流的電池中獲取電流，導致電池的充電速度減慢，從而使電池組中的其他電池能夠趕上。最終目標是最大化電池組的充電容量，這是通過讓所有電池同時達到完全充電極限來實現(xiàn)的。

通過實施電荷置換方案，可以在放電循環(huán)中平衡電池組。電荷置換方案是通過電感耦合或電容存儲從α電池獲取電荷并將存儲的電荷注入最弱的電池來實現(xiàn)的。這減慢了最弱電池達到放電極限所需的時間。這稱為主動平衡（見圖3B）。

多個串聯(lián)或并聯(lián)電池受益于平衡

具有一到四個并聯(lián)電池和三個或更多串聯(lián)電池的電池組從平衡中受益最大。隨著每個單元的并行組合增加，弱單元的性能與其他單元并行平均。單元之間的性能分布更緊密。并聯(lián)更多電池的好處也是不利的，因為在電池組中很難找到較弱的電池。閑置的電池組可能會燃燒電荷，因為強電池支撐著較弱的電池。

保護電池免受瞬態(tài)事件的影響

電池電壓和平衡電路在熱插拔事件中受到最嚴厲的處理。電池上沒有關(guān)閉按鈕。將電路連接到電池、負載或充電器可能會導致器件輸入端發(fā)生較大的瞬變。設計人員應了解敏感引腳的最大額定值。引腳的最大額定電壓是確定瞬態(tài)事件損壞電路的可能性的關(guān)鍵規(guī)格。經(jīng)驗法則是引腳的額定電壓越高，器件在抑制瞬變方面的魯棒性就越強。

采用高壓工藝設計的IC制造商確保器件免受瞬態(tài)事件的影響，但代價是采用大幾何尺寸的設計。這增加了設備的成本。其他IC制造商將使用低壓工藝進行設計，并將器件堆疊在一起，使器件永遠不會超過工藝額定值。這種方法依靠電容、電阻和二極管等電路在瞬態(tài)到達引腳之前對其進行抑制。這兩種制造類型都需要使用二極管、電阻器和電容器來抑制瞬變。使用高額定電壓 IC 可進一步防止有害和外來信號。這兩種設計方法都可以使用，但較低額定電壓的器件可能需要在開發(fā)階段進行更多調(diào)整，以確保防止有害事件。

電壓電池測量的采集時間取決于負載行為以及要掃描的電池數(shù)量。不穩(wěn)定的負載需要快速掃描時間來監(jiān)測細胞的越界情況。SAR ADC通常用于在短時間內(nèi)實現(xiàn)快速測量。SAR ADC消耗的功率更高，分辨率更低。

溫度監(jiān)測

今天的電池在保持恒定電壓的同時提供大量電流，這可能導致失控狀態(tài)，導致電池著火。用于制造電池的化學物質(zhì)具有高度揮發(fā)性，電池被正確的物體刺穿會導致電池著火。溫度測量不僅用于安全條件，還可用于確定是否需要對電池充電或放電。

溫度傳感器監(jiān)控儲能系統(tǒng)（ESS）應用的每個電池，或監(jiān)測更小、更便攜應用的一組電池。由內(nèi)部ADC基準電壓源供電的熱敏電阻通常用于監(jiān)視每個電路的溫度。內(nèi)部基準電壓源用于減少溫度讀數(shù)相對于環(huán)境溫度變化的不準確性。

狀態(tài)機或算法

大多數(shù)電池管理系統(tǒng)都需要MCU或FPGA來管理來自傳感電路的信息，并根據(jù)接收到的信息做出決策。在少數(shù)產(chǎn)品中，例如瑞薩電子的ISL94203，該算法以一定的可編程性進行編碼，以數(shù)字方式實現(xiàn)一個芯片的獨立解決方案。獨立解決方案在與MCU配合時也很有價值，因為獨立解決方案中的狀態(tài)機可用于釋放MCU時鐘周期和內(nèi)存空間。

其他電池管理系統(tǒng)構(gòu)建模塊

其他BMS功能模塊包括電池認證、實時時鐘、存儲器和菊花鏈。實時時鐘和存儲器用于黑匣子應用，其中RTC用于時間戳，存儲器用于存儲數(shù)據(jù)，允許用戶在災難性事件發(fā)生之前了解電池組的行為。電池認證塊可防止 BMS 電子設備連接到第三方電池組。基準電壓源/穩(wěn)壓器用于為 BMS 系統(tǒng)周圍的外圍電路供電。最后，菊花鏈電路用于簡化堆疊設備之間的連接。菊花鏈塊取代了對光耦合器或其他電平轉(zhuǎn)換電路的需求。

結(jié)論

電池管理系統(tǒng)可以使用各種功能模塊和設計技術(shù)進行架構(gòu)設計。仔細考慮電池要求和電池壽命目標將指導您確定正確的架構(gòu)、功能模塊和相關(guān) IC，以創(chuàng)建電池管理系統(tǒng)和充電方案，以優(yōu)化電池壽命。