揭开电池管理系统的神秘面纱，零距离探究系统架构

现在的电子设备具有更高的移动性并且比以前更绿色，电池技术进步推动了这一进展，并惠及了包括便捷式电动工具、插电式混合动力车、无线扬声器在内的广泛产品。电池技术的不断变化促使许多新手学习如何设计电池管理系统。本文提供了有关电池管理系统（BMS）架构的初学者指南，讨论了主要功能块，并解释了每个功能块对BMS系统的重要性。

 

近年来，电池效率（输出功率/尺寸比）和重量均出现大幅改善。试想一下汽车电池得多庞大和笨重，其主要用途是启动汽车。随着技术的最新进展，你可以改用锂离子电池来迅速启动汽车，其重量只有几磅，尺寸也就人手那么大。

 

图 SEQ Figure * ARABIC 1：电池管理系统（BMS）功能块的简化示意图。

 

电池管理系统架构

 

电池管理系统（BMS）通常包含若干功能块，如：FET驱动、电流监控、单电池电压监视器、单电池电压均衡、实时时钟、温度监控和状态机。市场上有多种类型的BMS IC。从简单的模拟前端（如提供均衡和监测功能并需要微控制器的ISL94208）到自主运行的独立集成解决方案（如ISL94203），功能块的分组存在很大差异。现在我们来看每个功能块的用途和所使用的技术，以及每种技术的优缺点。

 

关断FET和FET驱动器

 

FET驱动器功能块负责电池组的连接以及负载与充电器之间的隔离。FET驱动器的行为可根据单电池电压测量值、电流测量值和实时检测电路进行 *** 控。图2(a) 和 2(b)描述了负载与充电器及电池组之间的两种不同FET连接。

 

图 SEQ Figure * ARABIC 2：不同连接的截止FET原理图：(a)负载与充电器之间的单一连接，(b)允许同时充电和放电的二端子连接。

 

图2(a)需要最少的电池组连接数，且电池组工作模式限于充电、放电或休眠。电流方向和具体实时检测的行为决定了器件的状态。例如，ISL94203有一个CHMON，用于监测截止FET右侧上的电压。如果充电器已连接且电池组与之隔离，则注入电池组的电流将使电压上升至充电器的最大供电电压。这时，CHMON所在位置的电压电平升高（tripped），让BMS器件知道已连接充电器。负载连接是通过以下方式来确定的：向负载方向注入电流，以确定负载是否存在。如果引脚所在位置的电压在电流注入时没有显著上升，则表明负载还在。然后FET驱动器的DFET继续断开。图2(b)的连接方案允许电池组在充电时可以支持放电工作。

 

可以设计FET驱动器来连接至电池组的高端或低端。高端连接需要一个电荷泵驱动器来激活NMOS FET。使用高端驱动器可使电路其余部分具有稳固的接地基准。低端FET驱动器连接见于一些集成解决方案，用以降低成本，因为这时无需电荷泵。低端连接也不需要高电压器件，它会占用更大的芯片面积。在低端上截止FET会使电池组的接地点连接浮接，使之易受注入测量的噪声的影响——这会影响一些IC的性能。

 

电量计 / 电流测量

 

电量计功能模块负责记录流入和流出电池组的电荷。电荷是电流与时间之积。设计电量计时可使用多种不同的技术。测量电流的方法之一是使用电流感测放大器和带有嵌入式低分辨率ADC的MCU。电流运算放大器在高共模环境中工作，它负责放大分流器上差分信号，以支持更高的测量分辨率。这种设计技术以牺牲动态范围为代价。其他技术使用高分辨率ADC，或昂贵的电量计IC。了解负载行为的电流消耗-时间关系可确定电量计设计的最佳类型。

 

最准确和经济的解决方案是使用具有低漂移和高共模额定值的16位或更高分辨率ADC来测量感测电阻器上的电压。高分辨率ADC提供大的动态范围，但以牺牲速度为代价。如果电池连接到不规则荷载，如电动车，则慢速ADC有可能错过流向负载的高振幅和高频电流尖峰。对于不规则荷载，使用可能带有电流运算放大器前端的SAR ADC可能更为理想。任何偏移误差都会影响总误差（以电池电荷数量来衡量）。随着时间的推移，测量误差会造成严重的充电状态电池组误差。在测量电荷时，50uV 或更小的测量偏移在 16位分辨率就足够。

 

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