如何設計電池管理系統 (BMS)

概述

電池供電應用在過去十年中逐漸變得司空見慣，但這類設備通常要求一定程度的保護以確保安全的使用。電池管理系統 (BMS) 可以監測電池和可能產生的故障情況，防止電池出現性能下降、容量衰減、甚至可能危害用戶或周圍環境的情況。BMS 同時負責提供精確的電池充電狀態 (SOC) 和健康狀況 (SOH) 估計，以確保在電池的整個生命周期內提供豐富的信息以及安全的用戶體驗。設計恰當的 BMS 不僅就安全而言至關重要，也是提升客戶滿意度的關鍵環節。

面向中、低壓應用的BMS完整結構主要由三個 IC組成：模擬前端 (AFE)、微控制器 (MCU) 和電量計（見圖 1）。電量計可以是獨立的 IC，也可以嵌入MCU。MCU 是 BMS 的核心元件，它從 AFE 和電量計中獲取信息，同時實現與系統其余部分的連接。

圖1: BMS結構

AFE 為 MCU 和電量計提供電池的電壓、溫度和電流讀數。由于 AFE 在物理上更接近電池，因此建議斷路器也由AFE 控制；一旦發生故障，斷路器會將電池與系統的其余部分斷開。

電量計 IC 從 AFE 獲取讀數，然后使用復雜的電池建模和高級算法來估算一些關鍵參數，例如充電狀態 (SOC) 和健康狀況 (SOH)。與 AFE 類似，電量計的部分任務也可以包含在 MCU 代碼中；但使用專用電量計 IC（例如 MPS 的 MPF 4279x 電量計系列）擁有更多的優勢，如下所列：

高效設計: 通過使用專用IC 運行復雜的電量計算法，設計人員可以采用較低規格的MCU，從而降低總體成本和電流消耗。

提高洞察力和安全性: 專用電量計可以測量電池組中每個串聯電池的 SOC 和 SOH，從而實現更高的測量精度，并提供電池生命周期內的老化檢測。老化檢測非常重要，因為電池阻抗和容量會隨著時間的推移而發散，從而影響運行時間和安全性。

快速上市: 電量計 IC 通常已針對各種情況和測試用例進行了全面測試。這可以減少測試復雜算法的時間與成本，同時加快上市時間。

提高充電狀態(SOC) 和健康狀況 (SOH) 精確度

設計精確 BMS 的主要目標是實現電池組 SOC（剩余運行時間/完整范圍）和 SOH（壽命和狀況）的精確計算。BMS 設計人員可能認為，實現這一目標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。實際上，AFE只是影響整體計算精度的一個因素。最重要的因素是電量計電池模型和電量計的算法，其次才是 AFE 為電池電阻計算提供同步電壓-電流讀數的能力。

電量計通常采用內部算法運行復雜的計算，它分析電壓、電流和溫度測量值與存儲在其內存中的特定電池模型的關系，然后再將這些測量值轉換為 SOC 和 SOH 輸出。電池模型是通過在不同溫度、容量和負載條件下對電池進行表征生成的，它以數學方式定義其開路電壓以及電阻和電容組件。基于電池模型，電量計算法能夠根據這些參數在不同運行條件下的變化計算出最佳 SOC。因此，如果電量計的電池模型或算法不夠精確，則無論 AFE 測量精度多高，計算結果都是不精確的。換言之，采用高精度電量計對 BMS 的 SOC 精度影響最大。

電壓電流同步讀取

盡管絕大多數 AFE 都為電壓和電流提供不同的 ADC，但并非所有 AFE 都能為每個電池提供實際的同步電流和電壓測量。電壓-電流同步讀取功能可以實現電量計對電池等效串聯電阻 (ESR)的精確估算。由于 ESR 會隨著不同工作條件和時間而變化，因此，實時估算 ESR才能實現更精確的 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生的誤差，尤其是在幾個放電周期之后，差別更加明顯。以下結果通過集成了 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 中最重要的任務是保護管理。AFE 可以直接控制保護電路，在檢測到故障時保護系統和電池。有些系統則通過MCU實現故障控制，但這樣設計響應時間較長，而且需要 MCU 提供更多資源，從而增加了固件的復雜性。

高級 AFE 通過其 ADC 讀數和用戶配置來檢測故障情況。它通過打開保護 MOSFET 對故障做出反應，確保真正的硬件保護。而且，AFE 都已經過全面測試，可以輕松保障穩健的安全系統。采用這種方式，MCU 可以作為二級保護機制以實現更高級別的安全性和穩健性。

MPS的MP279x 系列產品同時集成了這兩種形式的保護控制。設計人員可以選擇通過 AFE 還是 MCU 來控制故障響應和/或保護。

高邊電池保護與低邊電池保護

在BMS設計中，電池保護斷路器的放置位置非常重要。這些電路通常采用 N 溝道 MOSFET 實現，因為它比 P 溝道 MOSFET 具有更低的內阻。斷路器可以放置在高邊（電池的正極），或者低邊（電池的負極）。

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

不過，當 N 溝道 MOSFET 置于電池正極時，其柵極驅動電壓需高于電池組電壓，這對設計是個挑戰。將專用電荷泵集成到 AFE 中是常用的高邊架構，但這會增加總成本和 IC 電流消耗。

低邊配置不需要電荷泵，因為保護 MOSFET 位于電池的負極。但在低邊配置中實現有效通信更加困難，因為當保護開啟時沒有 GND 參考。

MP279x 系列產品采用高邊架構，在提供強大保護功能的同時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 軟導通功能，它無需任何額外的預充電電路，這進一步將 BOM 尺寸與成本降至很低。軟導通通過緩慢增加保護 FET 的柵極電壓來實現，它允許小電流流過保護器件以對負載進行預充電（見圖 3）。通過配置幾個參數可確保安全的過渡，例如最大允許電流，或直到保護 FET 關斷而無觸發故障的時間。

圖 3：MP279x 系列的軟導通方案

延長電池壽命的電池均衡功能

為大型系統（例如電動自行車或儲能設備）供電的電池組通常由多個串聯和并聯的電池組成。每個電池理論上應該是相同的，但由于制造公差和化學差異，每個電池的行為又通常略有不同。隨著時間的推移，在不同的操作條件和老化情況下，這些差異會變得更加顯著，可能限制其可用容量或潛在地損壞電池，從而嚴重影響電池性能。為避免產生這些危險，通過電池均衡定期均衡串聯電池的電壓至關重要。

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

圖 4：外部電池均衡

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

圖 5：內部電池均衡

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

AFE 安全功能

如上文所述，用于控制系統保護和故障響應的 AFE 在 BMS 設計中極為重要。在打開或關閉保護 FET 之前，AFE 必須能夠檢測到不良狀況。

電池和電池組級的故障，例如過壓 (OV)、欠壓 (UV)、過流 (OC)、短路 (SC)、過溫 (OT) 和欠溫 ( UT) 故障都應被監測。AFE 還可以為部分應用提供其他有益的保護和功能。例如，自檢功能允許 IC 檢測其內部 ADC 是否出現故障，從而防止系統錯誤地測量；當主 MCU 沒有響應時，增強型監視器定時器也可確保穩健性和安全性。

MP279x 系列 器件能夠以高度可配置性提供上述故障保護，讓用戶可以為每個故障定義不同的閾值、去毛刺時間和遲滯。這些器件還通過兩個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時間。該系列器件還提供故障自動恢復配置，這意味著它們可以從大多數故障中自動恢復，無需 MCU 采取任何措施。

結語

BMS 監測電池組以保護電池和系統的其余部分。設計不當的 BMS 不僅會降低系統的安全性，而且還導致不準確的電池 SOC 管理。這種不準確對產品的最終質量影響巨大，極有可能導致潛在的危險故障或產生導致用戶體驗不佳的故障。為緩解這些問題，本文闡述了設計人員在BMS設計中應該關注的因素和目標。

MPS 提供了完整的 BMS 評估套件，可幫助您了解電池管理系統如何工作以及如何設計。利用這些工具，設計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，并根據特定應用需求輕松實現設備定制。

審核編輯：湯梓紅