電池管理系統簡(jiǎn)介

如今，鋰離子電池占據主導地位，能量密度高達265瓦時(shí)/千克。然而，他們確實(shí)有一個(gè)名聲，那就是當他們經(jīng)歷過(guò)多的壓力時(shí)，他們偶爾會(huì )爆發(fā)并燃燒掉所有的能量。這就是為什么他們經(jīng)常需要電池管理系統（BMS）來(lái)控制它們。

在本文中，我們將討論BMS概念的基礎知識，并介紹構成典型BMS的幾個(gè)基本部分。

在圖1中，我們看到了BMS在提供防止主要電池故障的功能時(shí)的外觀(guān)的基本模塊。

圖1典型的BMS框圖

這個(gè)例子BMS可以處理四個(gè)串聯(lián)的鋰離子電池。電池監測儀讀取所有電池電壓，并將其中的電壓平均：這個(gè)功能稱(chēng)為平衡（稍后將詳細介紹）。這是由MCU控制的，它處理遙測數據，以及開(kāi)關(guān)操作和平衡策略。

實(shí)際上，市場(chǎng)為更簡(jiǎn)單的設計提供了不同的解決方案，包括沒(méi)有平衡或MCU的單電池，如圖2所示。

圖2簡(jiǎn)單的電池管理器。圖片使用由德州儀器

這些更簡(jiǎn)單的系統的缺點(diǎn)是，設計人員必須遵守給定部件提供的功能（例如，高壓側或低壓側開(kāi)關(guān)），而無(wú)需定制。

當使用更多單元時(shí)，需要一個(gè)平衡系統。簡(jiǎn)單的方案仍然可以在沒(méi)有MCU的情況下工作，如圖3所示。

圖3獨立于單片機的單元平衡器。圖片使用由德州儀器

當使用更大的電池組或任何需要電池串聯(lián)或燃油表計算的東西時(shí)，需要MCU。圖4中是最集成的（因此成本較低）解決方案。

圖4商業(yè)樓宇管理系統。圖片使用由Renesas

這是一個(gè)BMS，它使用MCU和專(zhuān)用固件運行所有相關(guān)的電池相關(guān)功能。

回顧圖1，了解對BMS至關(guān)重要的基本部分?，F在，讓我們更詳細地瀏覽圖4的主要部分，以了解BMS框圖中涉及的各種元素。

當發(fā)生劇烈短路時(shí)，需要快速保護電池。在圖5中，您可以看到所謂的自我控制保護器（SCP）保險絲，它意味著(zhù)在過(guò)電壓的情況下由過(guò)電壓控制IC熔斷，驅動(dòng)針腳2接地。

MCU可以將熔斷的保險絲的狀態(tài)進(jìn)行通信，這就是為什么MCU的電源必須在保險絲之前。

這里實(shí)現了一個(gè)低側電流測量，允許直接連接到MCU。

圖6商業(yè)樓宇管理系統典型的低電流感

保持一個(gè)時(shí)間基準和積分電流隨時(shí)間的變化，我們得到進(jìn)入或離開(kāi)電池的總能量，實(shí)現庫侖計數器。換句話(huà)說(shuō)，我們可以使用以下公式來(lái)估計電荷狀態(tài)（SOC，不要與片上系統混淆）：

這里的

• SOC（t0）是初始SOC（單位：Ah）

• Crated是額定容量（單位：Ah）

• Ib是電池電流

• Iloss考慮細胞反應損失

• τ是電流樣本的平均周期

溫度傳感器和熱敏電阻通常用于溫度監控。

在圖7中，您可以看到一個(gè)熱敏電阻，它控制過(guò)電壓控制IC的輸入。這會(huì )在沒(méi)有MCU干預的情況下人為地引爆SCP（如圖5所示的保險絲）。

圖7熱敏電阻可以控制SCP，以防出現嚴重的熱問(wèn)題

圖8顯示了用于遙測的兩個(gè)附加熱敏電阻。

圖8固件使用的熱敏電阻

作為開(kāi)關(guān)，MOSFET需要其漏源極電壓為Vds≤Vgs?VthVds≤Vgs?Vth。線(xiàn)性區域中的電流為Id=k?（Vgs?Vth）?VdsId=k?（Vgs?Vth）?Vds，使得開(kāi)關(guān)電阻RMOS=1/[k?（Vgs?Vth）]RMOS=1/[k?（Vgs?Vth）]。

因此，驅動(dòng)VgsVgs以確保低電阻和低損耗是很重要的。

圖9電池組主開(kāi)關(guān)（NMOS，高壓側）

NMOS類(lèi)型也通過(guò)電荷泵用于高壓側開(kāi)關(guān)，因為通常它們的RMOSRMOS更低。

電池的容量和阻抗都有公差。所以，在循環(huán)過(guò)程中，一個(gè)電荷差可以在串聯(lián)的電池之間積累。

如果一組較弱的電池容量較小，則與串聯(lián)的其他電池相比，充電速度會(huì )更快。因此，BMS必須阻止其他電池充電，否則較弱的電池將被過(guò)度充電，如圖10所示。

圖10低容量電池妨礙電池組充滿(mǎn)電。圖片使用由模擬設備

相反，電池放電速度更快，有可能使電池低于其最低電壓。在這個(gè)例子中，沒(méi)有平衡器的BMS必須更早地停止供電，如圖11所示。

圖11低容量電池阻礙了全電池組能量的使用。圖片使用由模擬設備

如圖12所示的電路將以圖10所示的更高SOC（充電狀態(tài)）的電池在串聯(lián)的其他電池水平上放電。這是通過(guò)使用一種稱(chēng)為電荷分流的被動(dòng)平衡方法來(lái)實(shí)現的。

圖12被動(dòng)平衡策略示例

由于電流在導通狀態(tài)下流過(guò)晶體管，并通過(guò)R消散，而且由于基準電壓是CELL1（負極），只有這樣的電池才會(huì )釋放其多余的能量。

本文旨在介紹電池管理系統的基本概念，并介紹其設計中使用的基本組件。希望您現在能夠更好地理解電池管理系統的意義以及如何在電源設計中使用它。