在过去十年中，电池供电的应用已变得司空见惯，此类设备需要一定程度的保护以确保安全使用。我们可以用电池管理系统(BMS)监控电池和可能的故障情况，防止电池出现性能下降、容量衰减甚至可能损害用户或周围环境的情况。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生命周期内提供信息丰富且安全的用户体验。设计合适的BMS不仅从安全的角度来看至关重要，而且对于客户满意度也很重要。
用于低压或中压的完整BMS的主要结构，通常由三个IC组成：模拟前端(AFE)、微控制器(MCU)和电量计(见图1)。电量计可以是独立的IC，也可以嵌入在MCU中。MCU是BMS的核心器件，在与系统其余部分连接的同时从AFE和电量计获取信息。
图1：BMS架构框图。
AFE为MCU和电量计提供来自电池的电压、温度和电流读数。由于AFE在物理上离电池最近，因此还建议将AFE用于控制断路器——如果触发任何故障，就将电池与系统的其余部分断开。
电量计IC从AFE获取读数，然后使用复杂的电池建模和高级算法来估计关键参数，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有几个优点：
设计精确BMS的主要目标是为电池组的SoC(剩余运行时间/范围)和SoH(寿命和状况)提供精确计算。BMS设计人员可能认为实现这一目标的唯一方法是使用非常昂贵的具有精确电池电压测量容差的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、容量和负载条件下对电池进行表征，而以数学方式定义其开路电压以及电阻和电容元件来生成的。该模型使电量计的算法能够根据这些参数在不同运行条件下的变化情况来计算最佳SoC。因此，如果电量计的电池模型或算法不准确，则无论AFE进行测量的精度如何，计算结果都不准确。换言之，实现高精度电量计对BMS的SoC精度影响最大。
尽管几乎所有AFE都能为电压和电流提供不同的ADC，但并非所有AFE都能为每个电池提供实际的同步电流和电压测量。这一称为电压电流同步读数的功能，使电量计能够准确估算电池的等效串联电阻(ESR)。由于ESR会随着不同的操作条件和时间而变化，因此实时估计ESR可以实现更准确的SoC估计。
图2显示了同步读取的SoC误差为什么会显著低于没有同步读取的误差，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提取的。
图2：有和没有同步读取的SoC误差比较。
如前所述，AFE在BMS中扮演的最重要的角色是保护管理。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。一些系统能在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，从而增加了固件的复杂性。
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，确保真正的硬件保护，来对故障做出反应。AFE也经过了全面测试，这使得保证强大的安全系统变得简单。通过这种方式，MCU可以用作二级保护机制，从而获得更高级别的安全性和鲁棒性。
MP279x系列集成了两种形式的保护控制。这就使设计人员能够选择是通过AFE还是MCU控制故障响应和/或保护。
在设计BMS时，必须要考虑电池保护断路器的放置位置。通常，这些电路使用N沟道MOSFET实现，因为其与P沟道MOSFET相比具有更低的内阻。这些断路器可以放置在高边(电池的正极端子)或低边(电池的负极端子)。
高边架构可确保始终以良好的地(GND)为参考，从而避免出现短路时的潜在安全问题和通信问题。此外，干净、稳定的GND连接有助于减少参考信号波动，这是MCU精确操作的关键。
然而，当将N沟道MOSFET置于电池正极时，驱动其栅极的电压需要高于电池组电压，这使得设计过程更具挑战性。因此，高边架构通常要采用集成有专用电荷泵的AFE，这就会增加总体成本和IC电流消耗。
对于低边配置，电荷泵不是必需的，因为保护MOSFET位于电池的负极。然而，在低边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系列采用高边架构，可提供强大的保护，同时可最大限度地减少BOM。此外，高精度电荷泵控制支持N沟道MOSFET软开启功能，无需任何额外的预充电电路，这进一步最大限度地降低了BOM尺寸和成本。软开启是通过缓慢增加保护FET的栅极电压实现的，这样就可以使小电流流过保护，从而对负载进行预充电(见图3)。可以配置几个参数来确保安全转换，例如最大允许电流，或直到保护FET关闭而不触发故障的时间。
图3：MP279x系列的软启动方案。
为大型系统(例如电动自行车或储能)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会限制其可用容量或潜在地损坏电池，进而严重影响电池性能，这些差异将变得更加显著。为避免这些危险情况，必须通过称为电池均衡的过程定期串联串联电池电压。
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无源均衡是使电池电压均衡最常见的方法，它需要对充电最多的电池进行放电，直到它们都具有相等的电荷。AFE中的无源电池均衡可以在外部或内部完成。外部均衡可实现更大的均衡电流，但也会增加BOM(见图4)。
图4：外部电池均衡方框图。
另一方面，内部均衡不会增加BOM，但由于散热，它通常会将均衡电流限制在较低的值(见图5)。在决定内部均衡和外部均衡时，需要考虑外部硬件的成本和目标均衡电流。
图5：内部电池均衡框图。
电池均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检测和均衡。这显著减小了IC尺寸，但却意味着不能同时均衡连续的电池，从而增加了执行电池均衡所需的时间。使用专用均衡引脚可减少均衡时间，但会显著增加IC尺寸和总体成本。
如本文通篇所述，利用AFE控制系统保护和故障响应，在BMS设计中极为重要。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，都应该受到监控。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，自检可以使IC检测其内部ADC是否出现故障，从而防止系统出现错误测量。当主MCU没有响应时，增强的看门狗定时器功能还可确保鲁棒性和安全性。
MP279x系列以高度可配置性提供上述故障保护，使用户能够为每个故障定义不同的阈值、去毛刺时间和滞后。这些器件还依靠两个不同的比较器来处理SC和OC故障条件，从而最大限度地缩短响应时间。它们还提供了故障自动恢复配置，这意味着它们可以自动从大多数故障中恢复，而无需MCU采取任何措施。
我们可使用BMS监控电池组以保护电池和系统的其余部分。不合格的BMS不仅会降低系统的安全性，而且还会提供不准确的电池SoC管理。这些不准确对产品的最终质量有非常重要的影响，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。为了缓解这些问题，本文解释了设计人员在设计BMS时应该期待和寻找什么。
Tomas Hudson是MPS公司的应用工程师。
Miguel Angel Sanchez是MPS公司的电池应用工程师。
（原文刊登于EDN美国版，参考链接：How to design a battery management system，由Franklin Zhao编译。）
本文为《电子技术设计》2022年12月刊杂志文章，版权所有，禁止转载。免费杂志订阅申请点击这里。
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