揭開(kāi)電池管理系統的神秘面紗

　　現在的電子設備具有更高的移動(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(chē)、無(wú)線(xiàn)揚聲器在內的廣泛產(chǎn)品。近年來(lái)，電池效率（輸出功率/尺寸比）和重量均出現大幅改善。試想一下汽車(chē)電池得多龐大和笨重，其主要用途是啟動(dòng)汽車(chē)。隨著(zhù)技術(shù)的最新進(jìn)展，你可以改用鋰離子電池來(lái)迅速啟動(dòng)汽車(chē)，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)習如何設計電池管理系統。本文提供了有關(guān)電池管理系統（BMS）架構的初學(xué)者指南，討論了主要功能塊，并解釋了每個(gè)功能塊對BMS系統的重要性。

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

　　電池管理系統架構

　　電池管理系統（BMS）通常包含若干功能塊，如：FET驅動(dòng)、電流監控、單電池電壓監視器、單電池電壓均衡、實(shí)時(shí)時(shí)鐘、溫度監控和狀態(tài)機。市場(chǎng)上有多種類(lèi)型的BMS IC。從簡(jiǎn)單的模擬前端（如提供均衡和監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?，F在我們來(lái)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驅動(dòng)器

　　FET驅動(dòng)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驅動(dòng)器的行為可根據單電池電壓測量值、電流測量值和實(shí)時(shí)檢測電路進(jìn)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FET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(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，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)檢測的行為決定了器件的狀態(tài)。例如，ISL94203有一個(gè)CHMON，用于監測截止FET右側上的電壓。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。負載連接是通過(guò)以下方式來(lái)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(shí)沒(méi)有顯著(zhù)上升，則表明負載還在。然后FET驅動(dòng)器的DFET繼續斷開(kāi)。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。

　　可以設計FET驅動(dòng)器來(lái)連接至電池組的高端或低端。高端連接需要一個(gè)電荷泵驅動(dòng)器來(lái)激活NMOS FET。使用高端驅動(dòng)器可使電路其余部分具有穩固的接地基準。低端FET驅動(dòng)器連接見(jiàn)于一些集成解決方案，用以降低成本，因為這時(shí)無(wú)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，使之易受注入測量的噪聲的影響——這會(huì )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(shí)間之積。設計電量計時(shí)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。這種設計技術(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IC。了解負載行為的電流消耗-時(shí)間關(guān)系可確定電量計設計的最佳類(lèi)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(lái)測量感測電阻器上的電壓。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則荷載，如電動(dòng)車(chē)，則慢速ADC有可能錯過(guò)流向負載的高振幅和高頻電流尖峰。對于不規則荷載，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(huì )影響總誤差（以電池電荷數量來(lái)衡量）。隨著(zhù)時(shí)間的推移，測量誤差會(huì )造成嚴重的充電狀態(tài)電池組誤差。在測量電荷時(shí)，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(cháng)電池壽命

　　監測電池組中每個(gè)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(gè)工作電壓窗口，充電/放電應當在此期間進(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(guò)程。使電池工作電壓超出電壓范圍會(huì )顯著(zhù)縮短單電池的壽命，并可能使得該單電池失效。

　　單電池通過(guò)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 )導致在電池組上的擴散性分布。確定電池組是否已充電的簡(jiǎn)單方法是，按照設定電壓水平監視每個(gè)單電池的電壓。第一個(gè)達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 )導致最弱單電池首先達到限值，從而阻礙其余單電池充滿(mǎn)電。如前所述，充電方案不能使電池組每次充電的ON時(shí)間達到最大化。充電方案會(huì )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(huì )出現在放電周期。較弱的單電池會(huì )首先達到過(guò)放電門(mén)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(lèi)型的單電池平衡：（a）使用旁路單電池平衡FET來(lái)減慢單電池在充電周期的充電速度。（b）在放電周期內使用主動(dòng)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(shí)間有兩種方法。第一種方法是在充電周期內減慢對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(jiàn)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(guò)使所有單電池同時(shí)達到滿(mǎn)充門(mén)限值來(lái)實(shí)現的。

　　采用電荷移動(dòng)方案可使電池組在放電周期實(shí)現平衡，具體做法是通過(guò)電感耦合或電容性?xún)Υ鎻膹姷碾姵厝〉媚芰?，并將儲存的電能注入最弱的單電池。這會(huì )減慢最弱單電池達到放電門(mén)限值的速度。該過(guò)程稱(chēng)為主動(dòng)平衡，參見(jiàn)圖3（b）。

　　溫度監測

　　現在的電池可輸出大電流并保持恒定電壓。這會(huì )導致失控（runaway）情況的出現，引起電池著(zhù)火。用于制造電池的化學(xué)物質(zhì)是高度不穩定的。用某些東西刺穿電池會(huì )使電池著(zhù)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。

　　溫度傳感器負責監測能量?jì)Υ嫦到y（ESS）應用中的每個(gè)單電池，或者更小、更便攜的應用中的一組單電池的溫度。通常使用由內部ADC電壓基準供電的熱敏電阻來(lái)監測每個(gè)電路的溫度。內部電壓基準用于降低溫度讀數相對環(huán)境溫度變化的不準確性。

　　狀態(tài)機或算法

　　大多數BMS系統都需要使用微控制器或FPGA來(lái)管理來(lái)自感測電路的信息，然后用收到的信息做出決定。有少數產(chǎn)品（如ISL94203）包含相關(guān)算法，具有一定的可編程性，以數字方式支持實(shí)現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(shí)鐘周期和內存空間。

　　其他BMS構塊

　　其他BMS功能塊包括電池認證、實(shí)時(shí)時(shí)鐘、內存和菊鏈。實(shí)時(shí)時(shí)鐘和內存用于黑箱應用。實(shí)時(shí)時(shí)鐘用作時(shí)戳，內存用于存儲數據。這可以讓用戶(hù)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電子系統連接至第三方電池組。電壓基準/穩壓器用于為BMS系統的外圍電路供電。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光耦或其他電平位移電路的需要。

　　結束語(yǔ)

　　電池管理系統架構可使用許多功能塊和設計技術(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、功能塊和相關(guān)集成電路，進(jìn)而創(chuàng )建電池管理系統和充電方案，以?xún)?yōu)化電池壽命。