當(dāng)今的電子設(shè)備比以往任何時(shí)候都具有更高的移動(dòng)性并且更加環(huán)保。電池的進(jìn)步正在推動(dòng)從便攜式電動(dòng)工具到插電式混合動(dòng)力電動(dòng)汽車和無(wú)線揚(yáng)聲器等各種產(chǎn)品的進(jìn)步。近年來(lái)，電池的效率（就其可輸出的功率而言）相對(duì)于尺寸和重量而言已顯著提高。想想汽車電池有多重和龐大。其主要目的是啟動(dòng)汽車。隨著最近的進(jìn)步，您可以購(gòu)買(mǎi)鋰離子電池來(lái)快速啟動(dòng)您的汽車，而且它的重量只有幾磅，只有您的手掌大小。
    電池技術(shù)的持續(xù)變革促使許多新手學(xué)習(xí)設(shè)計(jì)電池管理系統(tǒng)。
    本文提供了電池管理系統(tǒng) (BMS) 架構(gòu)的初學(xué)者指南，討論了主要功能塊，并解釋了每個(gè)塊對(duì)電池管理系統(tǒng)的重要性。

     

   圖 1 電池管理系統(tǒng)構(gòu)建模塊的簡(jiǎn)化圖

    電池管理系統(tǒng)的構(gòu)建模塊
    電池管理系統(tǒng)可以由許多功能塊組成，包括：截止 FET、電量計(jì)監(jiān)視器、電池電壓監(jiān)視器、電池電壓平衡、實(shí)時(shí)時(shí)鐘 (RTC)、溫度監(jiān)視器和狀態(tài)機(jī)。有多種類型的電池管理 IC 可用。功能塊的分組差異很大，從提供平衡和監(jiān)控并需要微控制器 (MCU) 的簡(jiǎn)單模擬前端，到自主運(yùn)行的獨(dú)立、高度集成的解決方案?，F(xiàn)在讓我們來(lái)看看每個(gè)區(qū)塊背后的目的和技術(shù)，以及技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)。
    截止 FET 和 FET 驅(qū)動(dòng)器
    FET 驅(qū)動(dòng)器功能塊負(fù)責(zé)負(fù)載和充電器之間電池組的連接和隔離。FET 驅(qū)動(dòng)器的行為取決于電池電壓、電流測(cè)量和實(shí)時(shí)檢測(cè)電路的測(cè)量結(jié)果。圖 2A 和 2B 說(shuō)明了負(fù)載和充電器以及電池組之間兩種不同類型的 FET 連接。

  

   圖 2 截止 FET 示意圖或 (A) 負(fù)載和充電器的單一連接；(B) 允許同時(shí)充電和放電的兩個(gè)端子連接

    圖 2A 需要最少數(shù)量的電池組連接，并將電池組工作模式限制為充電、放電或睡眠。電流方向和特定實(shí)時(shí)測(cè)試的行為決定了設(shè)備的狀態(tài)。例如，Intersil 的 ISL94203 獨(dú)立電池組監(jiān)視器具有 CHMON 輸入，用于監(jiān)視截止 FET 右側(cè)的電壓。如果連接了充電器并且電池組與充電器隔離，則注入電池組的電流將導(dǎo)致電壓升至充電器的最大供電電壓。CHMON 的電壓電平被觸發(fā)，讓 BMS 設(shè)備知道充電器存在。通過(guò)將電流注入負(fù)載以確定負(fù)載是否存在來(lái)確定負(fù)載連接。如果注入電流時(shí)引腳電壓沒(méi)有明顯升高，結(jié)果確定負(fù)載是否存在。然后 FET 驅(qū)動(dòng)器的 DFET 開(kāi)啟。圖 2B 的連接方案允許電池組在充電時(shí)運(yùn)行。
    FET 驅(qū)動(dòng)器可設(shè)計(jì)為連接到電池組的高側(cè)或低側(cè)。高側(cè)連接需要電荷泵驅(qū)動(dòng)器來(lái)激活 NMOS FET。使用高側(cè)驅(qū)動(dòng)器可以為電路的其余部分提供可靠的接地參考。一些集成解決方案 3 Intersil 中采用低側(cè) FET 驅(qū)動(dòng)器連接
    來(lái)降低成本，因?yàn)椴恍枰姾杀?。低?cè)連接不需要高壓器件，因?yàn)楦邏浩骷?huì)占用更大的芯片面積。在低側(cè)使用截止 FET 會(huì)使電池組的接地連接浮動(dòng)，使其更容易受到測(cè)量中注入的噪聲的影響，從而影響某些 IC 的性能。
    電池電壓和最大限度地延長(zhǎng)電池壽命
    監(jiān)測(cè)電池組內(nèi)每個(gè)電池的電壓對(duì)于確定其整體健康狀況至關(guān)重要。所有電池都有一個(gè)工作電壓窗口，應(yīng)進(jìn)行充電和放電，以確保正常運(yùn)行和電池壽命。如果應(yīng)用使用鋰化學(xué)電池，則工作電壓通常在 2.5V 到 4.2V 之間。電壓范圍取決于化學(xué)成分。在電壓范圍之外操作電池會(huì)??顯著縮短電池的使用壽命，并可能導(dǎo)致電池失效。
    電池串聯(lián)和并聯(lián)連接形成電池組。并聯(lián)增加了電池組的電流驅(qū)動(dòng)，而串聯(lián)則增加了整體電壓。電池電壓就像所有制造出來(lái)的東西一樣。電池的性能具有分布：在時(shí)間為零時(shí)，電池組內(nèi)的電池充電和放電速率相同。當(dāng)每個(gè)電池在充電和放電之間循環(huán)時(shí)，每個(gè)電池充電和放電的速率會(huì)發(fā)生變化，從而導(dǎo)致分布分布
    穿過(guò)電池組。確定電池組是否已充電的一種簡(jiǎn)單方法是監(jiān)控每個(gè)電池的電壓是否達(dá)到設(shè)定的電壓水平。第一個(gè)達(dá)到電壓限制的電池電壓會(huì)觸發(fā)電池組充電限制。如果電池組的電池電量比平均電池電量低，這將導(dǎo)致最弱的電池電量首先達(dá)到極限，而其余電池電量未充滿。所描述的充電方案并沒(méi)有最大化電池組每次充電的開(kāi)啟時(shí)間。該充電方案還會(huì)縮短電池組的使用壽命，因?yàn)樾枰嗟某潆姾头烹娧h(huán)。較弱的電池放電速度較快。放電周期也會(huì)發(fā)生相同類型的情況。較弱的電池首先達(dá)到放電極限，使其余電池保持剩余電量。

   

 圖 3 不同類型的電池平衡 (A) 旁路電池平衡 FET 用于降低充電周期期間電池的充電速率；(B) 在放電周期期間使用主動(dòng)平衡從強(qiáng)電池竊取電荷并將電荷提供給弱電池

    有兩種方法可以提高電池組每次充電的開(kāi)啟時(shí)間。第一個(gè)是在充電周期中減慢對(duì)最弱電池的充電速度。這是通過(guò)在電池上連接旁路 FET 和限流電阻來(lái)實(shí)現(xiàn)的（見(jiàn)圖 3A）。這會(huì)消耗電流最高的電池的電流，導(dǎo)致電池充電速度減慢，從而使電池組中的其他電池能夠趕上。最終目標(biāo)是最大化電池組的充電容量，這是通過(guò)讓所有電池同時(shí)達(dá)到完全充電極限來(lái)實(shí)現(xiàn)的。
    通過(guò)實(shí)施電荷置換方案，可以在放電周期上平衡電池組。電荷置換方案是通過(guò)電感耦合或電容存儲(chǔ)從阿爾法電池獲取電荷并將存儲(chǔ)的電荷注入最弱的電池來(lái)實(shí)現(xiàn)的。這減慢了最弱電池達(dá)到放電極限所需的時(shí)間。這稱為主動(dòng)平衡（參見(jiàn)圖 3B）。
    具有一到四個(gè)并聯(lián)電池和三個(gè)或更多串聯(lián)電池的電池組從平衡中獲益最多。隨著每個(gè)單元的并聯(lián)組合增加，弱單元的性能與其他并聯(lián)單元的性能進(jìn)行平均。單元之間的性能分布更緊密。并聯(lián)更多電池的好處也有弊端，因?yàn)楹茈y在電池組中找到較弱的電池。由于較強(qiáng)的電池支撐較弱的電池，閑置的電池組可能會(huì)消耗電量。
    電池電壓和平衡電路受到熱插拔事件的最嚴(yán)酷對(duì)待。電池上沒(méi)有關(guān)閉按鈕。將電路連接到電池、負(fù)載或充電器可能會(huì)導(dǎo)致設(shè)備輸入處出現(xiàn)較大的瞬變。設(shè)計(jì)人員應(yīng)了解敏感引腳的最大額定值。引腳的最大額定電壓是確定瞬態(tài)事件損壞電路的可能性的關(guān)鍵指標(biāo)。經(jīng)驗(yàn)法則是引腳的額定電壓越高，該部件抑制瞬變的能力就越強(qiáng)。
    采用高壓工藝進(jìn)行設(shè)計(jì)的 IC 制造商可確保設(shè)備免受瞬態(tài)事件的影響，但代價(jià)是采用大尺寸設(shè)計(jì)。這增加了設(shè)備的成本。其他 IC 制造商將采用低電壓工藝進(jìn)行設(shè)計(jì)，并將器件堆疊起來(lái)，以使器件永遠(yuǎn)不會(huì)超過(guò)工藝額定值。這種方法依賴于電容器、電阻器和二極管等電路來(lái)在瞬變到達(dá)引腳之前對(duì)其進(jìn)行抑制。兩種制造類型都需要使用二極管、電阻器和電容器來(lái)抑制瞬態(tài)。使用額定電壓高的 IC 可以進(jìn)一步增強(qiáng)對(duì)有害和外來(lái)信號(hào)的保護(hù)。兩種設(shè)計(jì)方法都可以工作，但額定電壓較低的設(shè)備可能需要在開(kāi)發(fā)階段進(jìn)行更多調(diào)整，以確保免受有害事件的影響。
    電壓電池測(cè)量的采集時(shí)間取決于負(fù)載行為以及要掃描的電池?cái)?shù)量。行為不穩(wěn)定的負(fù)載需要快速掃描時(shí)間來(lái)監(jiān)控單元的越界情況。SAR ADC 通常用于在短時(shí)間內(nèi)實(shí)現(xiàn)快速測(cè)量。SAR ADC 消耗更多功率且分辨率較低。
    溫度監(jiān)測(cè)
    如今的電池在保持恒定電壓的同時(shí)提供大量電流，這可能會(huì)導(dǎo)致失控狀態(tài)，從而導(dǎo)致電池著火。用于制造電池的化學(xué)物質(zhì)具有高度揮發(fā)性，電池被正確的物體刺穿可能會(huì)導(dǎo)致電池著火。溫度測(cè)量不僅用于安全條件，還可以用于確定是否需要對(duì)電池充電或放電。
    溫度傳感器監(jiān)控能量存儲(chǔ)系統(tǒng) (ESS) 應(yīng)用的每個(gè)電池或用于更小、更便攜的應(yīng)用的一組電池。由內(nèi)部 ADC 電壓基準(zhǔn)供電的熱敏電阻通常用于監(jiān)控每個(gè)電路的溫度。內(nèi)部參考電壓用于減少溫度讀數(shù)相對(duì)于環(huán)境溫度變化的誤差。
    狀態(tài)機(jī)或算法
    大多數(shù)電池管理系統(tǒng)需要 MCU 或 FPGA 來(lái)管理來(lái)自傳感電路的信息并根據(jù)接收到的信息做出決策。在一些選定的產(chǎn)品中，例如 Intersil 的 ISL94203，算法經(jīng)過(guò)編碼，具有一定的可編程性，可以??通過(guò)一個(gè)芯片以數(shù)字方式實(shí)現(xiàn)獨(dú)立的解決方案。與 MCU 配合使用時(shí)，獨(dú)立解決方案也很有價(jià)值，因?yàn)楠?dú)立解決方案中的狀態(tài)機(jī)可用于釋放 MCU 時(shí)鐘周期和內(nèi)存空間。
    其他電池管理系統(tǒng)構(gòu)建塊
    其他 BMS 功能塊包括電池認(rèn)證、實(shí)時(shí)時(shí)鐘、存儲(chǔ)器和菊花鏈。實(shí)時(shí)時(shí)鐘和存儲(chǔ)器用于黑匣子應(yīng)用，其中RTC用于時(shí)間戳，存儲(chǔ)器用于存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，使用戶能夠在災(zāi)難性事件發(fā)生之前了解電池組的行為。電池認(rèn)證塊可防止 BMS 電子設(shè)備連接到第三方電池組。電壓基準(zhǔn)/調(diào)節(jié)器用于為 BMS 系統(tǒng)周圍的外圍電路供電。最后，菊花鏈電路用于簡(jiǎn)化堆疊設(shè)備之間的連接。菊花鏈模塊取代了對(duì)光耦合器或其他電平轉(zhuǎn)換電路的需求