设计更精确的电池管理系统

在过去十年中，电池供电应用已变得十分普遍，此类设备需要一定程度的保护才能确保安全使用。电池管理系统 (BMS) 可监控电池和可能的故障情况，防止电池出现性能下降、容量衰减甚至可能对用户或周围环境造成危害的情况。BMS 还负责提供准确的充电状态 (SoC) 和健康状态 (SoH) 估计，以确保在电池的整个使用寿命期间提供丰富且安全的用户体验。设计合适的 BMS 不仅从安全角度至关重要，而且对于客户满意度也至关重要。

低压或中压 BMS 的完整结构通常由三个 IC 组成：模拟前端 (AFE)、微控制器 (MCU) 和电量计。电量计可以是独立 IC，也可以嵌入 MCU 中。MCU 是 BMS 的核心元件，它从 AFE 和电量计获取信息，同时与系统的其余部分交互。

AFE 为 MCU 和电量计提供电池的电压、温度和电流读数。由于 AFE 在物理上最靠近电池，因此建议 AFE 还控制断路器，如果触发任何故障，断路器会将电池与系统其余部分断开。

电量计 IC 从 AFE 获取读数，然后使用复杂的单元建模和高级算法来估算关键参数，例如 SoC 和 SoH。与 AFE 类似，电量计的一些任务可以包含在 MCU 代码中;但是，使用专用电量计 IC 具有以下几个优点：

· 高效设计：使用专用IC运行复杂的电量计算法，允许设计人员使用规格较低的MCU，从而降低总体成本和电流消耗。

· 提高洞察力和安全性：专用电量计可以测量电池组中每个串联电池组合的单独 SoC 和 SoH，从而实现更精确的测量精度和电池使用寿命内的老化检测。这一点很重要，因为电池阻抗和容量会随着时间的推移而发生变化，从而影响运行时间和安全性。

· 快速上市：电量计 IC 经过了各种情况和测试案例的全面测试。这减少了测试复杂算法的时间和成本，同时加快了上市时间。

提高 SoC 和 SoH 准确性

设计精确的 BMS 的主要目标是为电池组的 SoC(剩余运行时间/续航里程)和 SoH(寿命和状态)提供精确的计算。BMS 设计人员可能认为实现此目标的唯一方法是使用具有精确电池电压测量公差的非常昂贵的 AFE，但这只是整体计算精度的一个因素。最重要的因素是电量计电池模型和电量计算法，其次是 AFE 为电池电阻计算提供同步电压-电流读数的能力。

电量计使用其内部算法来运行复杂的计算，通过分析这些值与存储在其内存中的特定电池模型之间的关系，将电压、电流和温度测量值转换为 SoC 和 SoH 输出。电池模型是通过在不同温度、容量和负载条件下表征电池来生成的，以数学方式定义其开路电压以及电阻和电容元件。该模型使电量计的算法能够根据这些参数在不同工作条件下的变化来计算最佳 SoC。因此，如果电量计的电池模型或算法不准确，则无论 AFE 的测量有多精确，最终的计算也不准确。换句话说，采用高精度电量计对 BMS 的 SoC 精度影响最大。

电压电流同步读取

尽管几乎所有 AFE 都为电压和电流提供不同的 ADC，但并非所有 AFE 都为每个电池提供实际的同步电流和电压测量。此功能称为电压-电流同步读数，使电量计能够准确估算电池的等效串联电阻 (ESR)。由于 ESR 在不同的操作条件下和随时间而变化，因此实时估算 ESR 可以更准确地估算 SoC。

同步读取时的 SoC 误差明显低于非同步读取时的误差，尤其是在几个放电周期之后。这些结果是使用集成了 ESR 检测和热建模的MPF42791得出的。

AFE 直接故障控制

如前所述，AFE 在 BMS 中扮演的最重要角色是保护管理。AFE 可以直接控制保护电路，在检测到故障时保护系统和电池。一些系统在 MCU 中实现故障控制，但这会导致更长的响应时间并需要 MCU 提供更多资源，从而增加固件复杂性。

高级 AFE 使用其 ADC 读数和用户配置来检测任何故障情况。AFE 通过打开保护 MOSFET 来对故障做出反应，以确保真正的硬件保护。AFE 也经过全面测试，这使得保证系统安全可靠变得简单。这样，MCU 可以用作二级保护机制，以实现更高级别的安全性和稳健性。

MP279x 系列集成了两种保护控制形式。这使得设计人员可以选择通过 AFE 还是 MCU 来控制故障响应和/或保护。

高端与低端电池保护

在设计 BMS 时，重要的是要考虑电池保护断路器的放置位置。通常，这些电路采用 N 通道 MOSFET 实现，因为它们与 P 通道 MOSFET 相比具有较低的内部电阻。这些断路器可以放置在高压侧(电池的正极)或低压侧(电池的负极)。

高端架构可确保接地 (GND) 始终有良好的参考，从而避免短路时出现潜在的安全和通信问题。此外，干净、稳定的 GND 连接有助于减少参考信号波动，这是 MCU 精确运行的关键。

然而，当 N 沟道 MOSFET 位于电池正极时，驱动其栅极需要高于电池组电压的电压，这使得设计过程更具挑战性。因此，集成在 AFE 中的专用电荷泵通常用于高端架构，这会增加整体成本和 IC 电流消耗。

对于低端配置，由于保护 MOSFET 位于电池负极，因此无需使用电荷泵。然而，在低端配置中实现有效通信更加困难，因为当保护打开时没有 GND 参考。

MP279x 系列采用高侧架构，可提供强大的保护功能，同时最大限度地减少 BOM。此外，高精度电荷泵控制可实现 N 通道 MOSFET 软开启功能，无需任何额外的预充电电路，从而进一步减少 BOM 尺寸和成本。软开启是通过缓慢增加保护 FET 的栅极电压来实现的，允许小电流流过保护装置以对负载进行预充电。可以配置多个参数以确保安全转换，例如允许的最大电流或保护 FET 关闭而不触发故障的时间。

通过电池平衡延长电池寿命

为大型系统(例如电动自行车或储能系统)供电的电池组由许多串联和并联的电池组成。每个电池在理论上都是相同的，但由于制造公差和化学差异，每个电池的行为通常略有不同。随着时间的推移，由于不同的操作条件和老化，这些差异变得更加明显，通过限制其可用容量或可能损坏电池，严重影响电池性能。为了避免这些危险情况，重要的是通过称为电池平衡的过程定期均衡串联电池电压。

被动平衡是均衡电池电压的最常见方法，它需要对充电最多的电池进行放电，直到所有电池都具有相等的电量。AFE 中的被动电池平衡可以通过外部或内部实现。外部平衡允许更大的平衡电流，但也会增加 BOM。

另一方面，内部平衡不会增加 BOM，但由于散热原因，它通常会将平衡电流限制在较低值。在内部和外部平衡之间做出选择时，请考虑外部硬件的成本和目标平衡电流。

电池平衡的另一个重要方面是物理连接。例如，MP279x AFE 系列使用相同的引脚进行电压感测和平衡。这显著减少了 IC 尺寸，但意味着连续的电池无法同时平衡，从而增加了执行电池平衡所需的时间。使用专用的平衡引脚可以缩短平衡时间，但会显著增加 IC 尺寸和总体成本。

AFE 安全功能

正如本文所述，控制系统保护和故障响应的 AFE 在 BMS 设计中极其重要。在打开或关闭保护 FET 之前，AFE 必须能够检测到这些不良情况。

电池和电池组级故障，例如过压 (OV)、欠压 (UV)、过流 (OC)、短路 (SC)、过温 (OT) 和欠温 (UT) 故障，都应受到监控。但是，AFE 还可以为某些应用提供其他有益的保护和功能。例如，自检允许 IC 检测其内部 ADC 是否发生故障，从而防止系统测量错误。增强的看门狗定时器功能还可在主 MCU 无响应时确保稳健性和安全性。

MP279x 系列提供上述故障保护，具有高度可配置性，使用户能够为每个故障定义不同的阈值、去尖峰时间和滞后。这些设备还依靠两个不同的比较器来处理 SC 和 OC 故障情况，以最大限度地缩短响应时间。它们还提供故障自动恢复配置，这意味着它们可以自动从大多数故障中恢复，而无需 MCU 采取任何行动。

结论

BMS监视电池组，以保护电池和系统的其他部分。不合格的BMS不仅降低了系统的安全性，而且还提供了不准确的电池SoC管理。这些不准确度对产品的最终质量有非常显著的影响，因为它们可能导致潜在的危险故障，或对用户体验产生负面影响的故障。为了减轻这些问题，本文解释了设计人员在设计BMS时应该期望和寻找什么。了解更多关于电池管理系统是如何工作的，以及如何用MPS的BMS评估工具包来设计它们。