揭開電池管理系統(tǒng)的神秘面紗

　　現(xiàn)在的電子設(shè)備具有更高的移動性并且比以前更綠色，電池技術(shù)進步推動了這一進展，并惠及了包括便捷式電動工具、插電式混合動力車、無線揚聲器在內(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，其主要用途是啟動汽車。隨著技術(shù)的最新進展，你可以改用鋰離子電池來迅速啟動汽車，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習如何設(shè)計電池管理系統(tǒng)。本文提供了有關(guān)電池管理系統(tǒng)（BMS）架構(gòu)的初學者指南，討論了主要功能塊，并解釋了每個功能塊對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、電流監(jiān)控、單電池電壓監(jiān)視器、單電池電壓均衡、實時時鐘、溫度監(jiān)控和狀態(tài)機。市場上有多種類型的BMS IC。從簡單的模擬前端（如提供均衡和監(jiān)測功能并需要微控制器的ISL94208）到自主運行的獨立集成解決方案（如ISL94203），功能塊的分組存在很大差異。現(xiàn)在我們來看每個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。

　　關(guān)斷FET和FET驅(qū)動器

　　FET驅(qū)動器功能塊負責電池組的連接以及負載與充電器之間的隔離。FET驅(qū)動器的行為可根據(jù)單電池電壓測量值、電流測量值和實時檢測電路進行操控。圖2（a） 和 2（b）描述了負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）負載與充電器之間的單一連接，（b）允許同時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。電流方向和具體實時檢測的行為決定了器件的狀態(tài)。例如，ISL94203有一個CHMON，用于監(jiān)測截止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，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。負載連接是通過以下方式來確定的：向負載方向注入電流，以確定負載是否存在。如果引腳所在位置的電壓在電流注入時沒有顯著上升，則表明負載還在。然后FET驅(qū)動器的DFET繼續(xù)斷開。圖2（b）的連接方案允許電池組在充電時可以支持放電工作。

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

　　電量計 / 電流測量

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

　　最準確和經(jīng)濟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來測量感測電阻器上的電壓。高分辨率ADC提供大的動態(tài)范圍，但以犧牲速度為代價。如果電池連接到不規(guī)則荷載，如電動車，則慢速ADC有可能錯過流向負載的高振幅和高頻電流尖峰。對于不規(guī)則荷載，使用可能帶有電流運算放大器前端的SAR ADC可能更為理想。任何偏移誤差都會影響總誤差（以電池電荷數(shù)量來衡量）。隨著時間的推移，測量誤差會造成嚴重的充電狀態(tài)電池組誤差。在測量電荷時，50uV 或更小的測量偏移在 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)測電池組中每個單電池的電壓對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工作電壓窗口，充電/放電應當在此期間進行，以確保正常工作和電池壽命。如果一個應用使用的是鋰離子化學電池，則典型工作電壓范圍為2.5V - 4.2V。電壓范圍取決于化學過程。使電池工作電壓超出電壓范圍會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)會增加電池組的電流，串聯(lián)會增加總電壓。單電池的性能遵循下面的分布：當時間等于零時，電池組中單電池的充電和放電速度相同。由于每個單電池都是交替進行充放電，所以每個單電池的充電和放電速度存在差異，這會導致在電池組上的擴散性分布。確定電池組是否已充電的簡單方法是，按照設(shè)定電壓水平監(jiān)視每個單電池的電壓。第一個達到該電壓限值的單電池電壓會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導致最弱單電池首先達到限值，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時間達到最大化。充電方案會因為需要更多充電和放電循環(huán)而縮短電池組的壽命。較弱的單電池放電速度較快。這種情況也會出現(xiàn)在放電周期。較弱的單電池會首先達到過放電門限值關(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)使用主動平衡從強單電池“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時間有兩種方法。第一種方法是在充電周期內(nèi)減慢對最弱單電池的充電速度。具體做法是將一個旁路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到最大化。這是通過使所有單電池同時達到滿充門限值來實現(xiàn)的。

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

　　溫度監(jiān)測

　　現(xiàn)在的電池可輸出大電流并保持恒定電壓。這會導致失控（runaway）情況的出現(xiàn)，引起電池著火。用于制造電池的化學物質(zhì)是高度不穩(wěn)定的。用某些東西刺穿電池會使電池著火。溫度測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。

　　溫度傳感器負責監(jiān)測能量儲存系統(tǒng)（ESS）應用中的每個單電池，或者更小、更便攜的應用中的一組單電池的溫度。通常使用由內(nèi)部ADC電壓基準供電的熱敏電阻來監(jiān)測每個電路的溫度。內(nèi)部電壓基準用于降低溫度讀數(shù)相對環(huán)境溫度變化的不準確性。

　　狀態(tài)機或算法

　　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)字方式支持實現(xiàn)采用單芯片的獨立解決方案。獨立解決方案還能很好地與微控制器配合使用，因為獨立解決方案的狀態(tài)機可用于釋放 MCU時鐘周期和內(nèi)存空間。

　　其他BMS構(gòu)塊

　　其他BMS功能塊包括電池認證、實時時鐘、內(nèi)存和菊鏈。實時時鐘和內(nèi)存用于黑箱應用。實時時鐘用作時戳，內(nèi)存用于存儲數(shù)據(jù)。這可以讓用戶知道電池組在災難事件前的行為。電池認證功能塊用于防止BMS電子系統(tǒng)連接至第三方電池組。電壓基準/穩(wěn)壓器用于為BMS系統(tǒng)的外圍電路供電。最后，菊鏈電路用于簡化不同器件之間的連接。菊鏈功能塊可消除了對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)計技術(shù)。認真考慮電池要求和電池壽命目標有助于確定合適的架構(gòu)、功能塊和相關(guān)集成電路，進而創(chuàng)建電池管理系統(tǒng)和充電方案，以優(yōu)化電池壽命。