如何設(shè)計(jì)電池管理系統(tǒng)

電池供電應(yīng)用在過去十年中逐漸變得司空見慣，但這類設(shè)備通常要求一定程度的保護(hù)以確保安全的使用。電池管理系統(tǒng) (BMS) 可以監(jiān)測電池和可能產(chǎn)生的故障情況，防止電池出現(xiàn)性能下降、容量衰減、甚至可能危害用戶或周圍環(huán)境的情況。BMS 同時(shí)負(fù)責(zé)提供精確的電池充電狀態(tài) (SOC) 和健康狀況 (SOH) 估計(jì)，以確保在電池的整個(gè)生命周期內(nèi)提供豐富的信息以及安全的用戶體驗(yàn)。設(shè)計(jì)恰當(dāng)?shù)?BMS 不僅就安全而言至關(guān)重要，也是提升客戶滿意度的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。

面向中、低壓應(yīng)用的BMS完整結(jié)構(gòu)主要由三個(gè) IC組成：模擬前端 (AFE)、微控制器 (MCU) 和電量計(jì)（見圖 1）。電量計(jì)可以是獨(dú)立的 IC，也可以嵌入MCU。MCU 是 BMS 的核心元件，它從 AFE 和電量計(jì)中獲取信息，同時(shí)實(shí)現(xiàn)與系統(tǒng)其余部分的連接。

圖1: BMS結(jié)構(gòu)

AFE 為 MCU 和電量計(jì)提供電池的電壓、溫度和電流讀數(shù)。由于 AFE 在物理上更接近電池，因此建議斷路器也由AFE 控制；一旦發(fā)生故障，斷路器會(huì)將電池與系統(tǒng)的其余部分?jǐn)嚅_。

電量計(jì) IC 從 AFE 獲取讀數(shù)，然后使用復(fù)雜的電池建模和高級(jí)算法來估算一些關(guān)鍵參數(shù)，例如充電狀態(tài) (SOC) 和健康狀況 (SOH)。與 AFE 類似，電量計(jì)的部分任務(wù)也可以包含在 MCU 代碼中；但使用專用電量計(jì) IC（例如 MPS 的 MPF4279x 電量計(jì)系列）擁有更多的優(yōu)勢，如下所列： 

●   高效設(shè)計(jì): 通過使用專用IC 運(yùn)行復(fù)雜的電量計(jì)算法，設(shè)計(jì)人員可以采用較低規(guī)格的MCU，從而降低總體成本和電流消耗。

●   提高洞察力和安全性: 專用電量計(jì)可以測量電池組中每個(gè)串聯(lián)電池的 SOC 和 SOH，從而實(shí)現(xiàn)更高的測量精度，并提供電池生命周期內(nèi)的老化檢測。老化檢測非常重要，因?yàn)殡姵刈杩购腿萘繒?huì)隨著時(shí)間的推移而發(fā)散，從而影響運(yùn)行時(shí)間和安全性。

●   快速上市: 電量計(jì) IC 通常已針對(duì)各種情況和測試用例進(jìn)行了全面測試。這可以減少測試復(fù)雜算法的時(shí)間與成本，同時(shí)加快上市時(shí)間。

提高充電狀態(tài)(SOC) 和健康狀況 (SOH) 精確度

設(shè)計(jì)精確 BMS 的主要目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)電池組 SOC（剩余運(yùn)行時(shí)間/完整范圍）和 SOH（壽命和狀況）的精確計(jì)算。BMS 設(shè)計(jì)人員可能認(rèn)為，實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)的唯一方法就是使用具有精確電池電壓測量容差且非常昂貴的 AFE。實(shí)際上，AFE只是影響整體計(jì)算精度的一個(gè)因素。最重要的因素是電量計(jì)電池模型和電量計(jì)的算法，其次才是 AFE 為電池電阻計(jì)算提供同步電壓-電流讀數(shù)的能力。

電量計(jì)通常采用內(nèi)部算法運(yùn)行復(fù)雜的計(jì)算，它分析電壓、電流和溫度測量值與存儲(chǔ)在其內(nèi)存中的特定電池模型的關(guān)系，然后再將這些測量值轉(zhuǎn)換為 SOC 和 SOH 輸出。電池模型是通過在不同溫度、容量和負(fù)載條件下對(duì)電池進(jìn)行表征生成的，它以數(shù)學(xué)方式定義其開路電壓以及電阻和電容組件。基于電池模型，電量計(jì)算法能夠根據(jù)這些參數(shù)在不同運(yùn)行條件下的變化計(jì)算出最佳 SOC。因此，如果電量計(jì)的電池模型或算法不夠精確，則無論 AFE 測量精度多高，計(jì)算結(jié)果都是不精確的。換言之，采用高精度電量計(jì)對(duì) BMS 的 SOC 精度影響最大。

電壓電流同步讀取

盡管絕大多數(shù) AFE 都為電壓和電流提供不同的 ADC，但并非所有 AFE 都能為每個(gè)電池提供實(shí)際的同步電流和電壓測量。電壓-電流同步讀取功能可以實(shí)現(xiàn)電量計(jì)對(duì)電池等效串聯(lián)電阻 (ESR)的精確估算。由于 ESR 會(huì)隨著不同工作條件和時(shí)間而變化，因此，實(shí)時(shí)估算 ESR才能實(shí)現(xiàn)更精確的 SOC 估算。

圖 2 顯示出同步讀取的SOC 誤差明顯低于非同步讀取產(chǎn)生的誤差，尤其是在幾個(gè)放電周期之后，差別更加明顯。以下結(jié)果通過集成了 ESR 檢測和熱建模的 MPF42791獲得。

圖 2：同步讀取和非同步讀取的 SOC 誤差比較

AFE 直接故障控制

如前所述，AFE 在 BMS 中最重要的任務(wù)是保護(hù)管理。AFE 可以直接控制保護(hù)電路，在檢測到故障時(shí)保護(hù)系統(tǒng)和電池。有些系統(tǒng)則通過MCU實(shí)現(xiàn)故障控制，但這樣設(shè)計(jì)響應(yīng)時(shí)間較長，而且需要 MCU 提供更多資源，從而增加了固件的復(fù)雜性。

高級(jí) AFE 通過其 ADC 讀數(shù)和用戶配置來檢測故障情況。它通過打開保護(hù) MOSFET 對(duì)故障做出反應(yīng)，確保真正的硬件保護(hù)。而且，AFE 都已經(jīng)過全面測試，可以輕松保障穩(wěn)健的安全系統(tǒng)。采用這種方式，MCU 可以作為二級(jí)保護(hù)機(jī)制以實(shí)現(xiàn)更高級(jí)別的安全性和穩(wěn)健性。 MPS的MP279x 系列產(chǎn)品同時(shí)集成了這兩種形式的保護(hù)控制。設(shè)計(jì)人員可以選擇通過 AFE 還是 MCU 來控制故障響應(yīng)和/或保護(hù)。

高邊電池保護(hù)與低邊電池保護(hù)

在BMS設(shè)計(jì)中，電池保護(hù)斷路器的放置位置非常重要。這些電路通常采用 N 溝道 MOSFET 實(shí)現(xiàn)，因?yàn)樗?P 溝道 MOSFET 具有更低的內(nèi)阻。斷路器可以放置在高邊（電池的正極），或者低邊（電池的負(fù)極）。

高邊架構(gòu)可確保始終良好的接地 (GND) 參考，從而避免出現(xiàn)短路時(shí)的潛在安全和通信故障。此外，干凈、穩(wěn)定的 GND 連接有助于減少參考信號(hào)的波動(dòng)，這是 MCU 精確操作的關(guān)鍵所在。

不過，當(dāng) N 溝道 MOSFET 置于電池正極時(shí)，其柵極驅(qū)動(dòng)電壓需高于電池組電壓，這對(duì)設(shè)計(jì)是個(gè)挑戰(zhàn)。將專用電荷泵集成到 AFE 中是常用的高邊架構(gòu)，但這會(huì)增加總成本和 IC 電流消耗。

低邊配置不需要電荷泵，因?yàn)楸Ｗo(hù) MOSFET 位于電池的負(fù)極。但在低邊配置中實(shí)現(xiàn)有效通信更加困難，因?yàn)楫?dāng)保護(hù)開啟時(shí)沒有 GND 參考。 

MP279x 系列產(chǎn)品采用高邊架構(gòu)，在提供強(qiáng)大保護(hù)功能的同時(shí)也能最大限度地減少 BOM。此外，高精度電荷泵控制還支持 N 溝道 MOSFET 軟導(dǎo)通功能，它無需任何額外的預(yù)充電電路，這進(jìn)一步將 BOM 尺寸與成本降至最低。軟導(dǎo)通通過緩慢增加保護(hù) FET 的柵極電壓來實(shí)現(xiàn)，它允許小電流流過保護(hù)器件以對(duì)負(fù)載進(jìn)行預(yù)充電（見圖 3）。通過配置幾個(gè)參數(shù)可確保安全的過渡，例如最大允許電流，或直到保護(hù) FET 關(guān)斷而無觸發(fā)故障的時(shí)間。

圖 3：MP279x 系列的軟導(dǎo)通方案

延長電池壽命的電池均衡功能

為大型系統(tǒng)（例如電動(dòng)自行車或儲(chǔ)能設(shè)備）供電的電池組通常由多個(gè)串聯(lián)和并聯(lián)的電池組成。每個(gè)電池理論上應(yīng)該是相同的，但由于制造公差和化學(xué)差異，每個(gè)電池的行為又通常略有不同。隨著時(shí)間的推移，在不同的操作條件和老化情況下，這些差異會(huì)變得更加顯著，可能限制其可用容量或潛在地?fù)p壞電池，從而嚴(yán)重影響電池性能。為避免產(chǎn)生這些危險(xiǎn)，通過電池均衡定期均衡串聯(lián)電池的電壓至關(guān)重要。

被動(dòng)均衡是均衡電池電壓最常用的方法，它需要對(duì)電量較多的電池進(jìn)行放電，直到所有單電池都擁有均等的電荷。MP279x 系列AFE 中的被動(dòng)電池均衡功能可以在外部或者內(nèi)部完成。外部均衡允許較大的均衡電流，但也會(huì)增加 BOM（見圖 4）。

圖 4：外部電池均衡

內(nèi)部均衡則不會(huì)增加 BOM，但由于散熱問題，它通常會(huì)將均衡電流限制在一個(gè)較低的值（見圖 5）。 在選擇內(nèi)部均衡還是外部均衡時(shí)，需要考量外部硬件成本和目標(biāo)均衡電流。

圖 5：內(nèi)部電池均衡

電池均衡的另一個(gè)重要因素是物理連接。例如，MP279x AFE 系列使用相同的引腳進(jìn)行電壓采樣和均衡。這極大地減小了 IC 尺寸，但也意味著不能同時(shí)均衡連續(xù)的電池，因此增加了完成電池均衡所需的時(shí)間。采用專用均衡引腳可節(jié)約均衡時(shí)間，但卻會(huì)顯著增加IC 尺寸和總成本。 

AFE 安全功能

如上文所述，用于控制系統(tǒng)保護(hù)和故障響應(yīng)的 AFE 在 BMS 設(shè)計(jì)中極為重要。在打開或關(guān)閉保護(hù) FET 之前，AFE 必須能夠檢測到不良狀況。 

電池和電池組級(jí)的故障，例如過壓 (OV)、欠壓 (UV)、過流 (OC)、短路 (SC)、過溫 (OT) 和欠溫 ( UT) 故障都應(yīng)被監(jiān)測。AFE 還可以為部分應(yīng)用提供其他有益的保護(hù)和功能。例如，自檢功能允許 IC 檢測其內(nèi)部 ADC 是否出現(xiàn)故障，從而防止系統(tǒng)錯(cuò)誤地測量；當(dāng)主 MCU 沒有響應(yīng)時(shí)，增強(qiáng)型監(jiān)視器定時(shí)器也可確保穩(wěn)健性和安全性。

MP279x 系列 器件能夠以高度可配置性提供上述故障保護(hù)，讓用戶可以為每個(gè)故障定義不同的閾值、去毛刺時(shí)間和遲滯。這些器件還通過兩個(gè)不同的比較器來比較 SC 和 OC 的故障條件，以最大限度地縮短響應(yīng)時(shí)間。該系列器件還提供故障自動(dòng)恢復(fù)配置，這意味著它們可以從大多數(shù)故障中自動(dòng)恢復(fù)，無需 MCU 采取任何措施。

結(jié)語

BMS 監(jiān)測電池組以保護(hù)電池和系統(tǒng)的其余部分。設(shè)計(jì)不當(dāng)?shù)?BMS 不僅會(huì)降低系統(tǒng)的安全性，而且還導(dǎo)致不準(zhǔn)確的電池 SOC 管理。這種不準(zhǔn)確對(duì)產(chǎn)品的最終質(zhì)量影響巨大，極有可能導(dǎo)致潛在的危險(xiǎn)故障或產(chǎn)生導(dǎo)致用戶體驗(yàn)不佳的故障。為緩解這些問題，本文闡述了設(shè)計(jì)人員在BMS設(shè)計(jì)中應(yīng)該關(guān)注的因素和目標(biāo)。

MPS 提供了完整的 BMS 評(píng)估套件，可幫助您了解電池管理系統(tǒng)如何工作以及如何設(shè)計(jì)。利用這些工具，設(shè)計(jì)人員可通過簡單易用的 GUI 和廣泛的支持材料輕松測試和配置其 BMS，并根據(jù)特定應(yīng)用需求輕松實(shí)現(xiàn)設(shè)備定制。