電池管理系統(tǒng) (BMS) 通常由多個(gè)功能模塊組成，包括截止場效應(yīng)發(fā)射器 (FET)、電量監(jiān)測器、電池電壓監(jiān)測器、電池電壓平衡、實(shí)時(shí)時(shí)鐘、溫度監(jiān)測器和狀態(tài)機(jī)（圖 1）。有多種 BMS IC 可供選擇。

1. 電池管理系統(tǒng) (BMS) 包括多個(gè)構(gòu)建塊。

功能塊的分組變化很大，從簡單的模擬前端到自主運(yùn)行的獨(dú)立集成解決方案。現(xiàn)在讓我們來看看每個(gè)區(qū)塊背后的目的和技術(shù)，以及每種技術(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)電池組在負(fù)載和充電器之間的連接和隔離。FET 驅(qū)動(dòng)器的行為基于電池電壓、電流測量和實(shí)時(shí)檢測電路的測量。圖 2 說明了負(fù)載和充電器以及電池組之間的兩種不同類型的 FET 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。電流流向和特定實(shí)時(shí)測試的行為決定了設(shè)備的狀態(tài)。

2. 顯示的是用于負(fù)載和充電器之間的單一連接 (A) 的截止 FET 示意圖，以及允許同時(shí)充電和放電 (B) 的兩端連接。

例如，ISL94203 有一個(gè)通道監(jiān)視器 (CHMON)，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其隔離，則注入電池組的電流將導(dǎo)致電壓上升到充電器的最大供電電壓。CHMON 的電壓電平被觸發(fā)，這讓 BMS 設(shè)備知道存在充電器。為了確定負(fù)載連接，將電流注入負(fù)載以確定是否存在負(fù)載。如果在注入電流時(shí)引腳上的電壓沒有顯著上升，則結(jié)果確定存在負(fù)載。FET 驅(qū)動(dòng)器的 DFET 然后打開。圖 2B 中的連接方案允許電池組在充電時(shí)工作。

FET 驅(qū)動(dòng)器可以設(shè)計(jì)為連接到電池組的高端或低端。高側(cè)連接需要電荷泵驅(qū)動(dòng)器來激活 NMOS FET。使用高邊驅(qū)動(dòng)器時(shí)，它允許為其余電路提供可靠的接地參考。在一些集成解決方案中可以找到低側(cè) FET 驅(qū)動(dòng)器連接以降低成本，因?yàn)樗鼈儾恍枰姾杀谩Ｋ鼈円膊恍枰妮^大芯片面積的高壓器件。在低端使用截止 FET 使電池組的接地連接浮動(dòng)，使其更容易受到注入測量的噪聲的影響。這會(huì)影響某些 IC 的性能。

電量計(jì)/電流測量

電量計(jì)功能塊跟蹤進(jìn)出電池組的電荷。電荷是電流和時(shí)間的乘積。設(shè)計(jì)電量計(jì)時(shí)可以使用幾種不同的技術(shù)。

電流檢測放大器和具有嵌入式低分辨率模數(shù)轉(zhuǎn)換器 (ADC) 的 MCU 是一種電流測量方法。電流檢測放大器在高共模環(huán)境中工作，可放大信號(hào)，實(shí)現(xiàn)更高分辨率的測量。但是，這種設(shè)計(jì)技術(shù)犧牲了動(dòng)態(tài)范圍。

其他技術(shù)使用高分辨率 ADC 或昂貴的電量計(jì) IC。了解負(fù)載行為的電流消耗與時(shí)間的關(guān)系決定了最佳的電量計(jì)設(shè)計(jì)類型。

最準(zhǔn)確和最具成本效益的解決方案是使用具有低偏移和高共模額定值的 16 位或更高位 ADC 測量檢測電阻器上的電壓。高分辨率 ADC 以犧牲速度為代價(jià)提供大動(dòng)態(tài)范圍。如果電池連接到不穩(wěn)定的負(fù)載，例如電動(dòng)汽車，慢速 ADC 可能會(huì)錯(cuò)過傳遞給負(fù)載的高幅度和高頻電流尖峰。

對(duì)于不穩(wěn)定的負(fù)載，可能更需要帶有電流檢測放大器前端的逐次逼近寄存器 (SAR) ADC。任何偏移誤差都會(huì)影響電池充電量的整體誤差。隨著時(shí)間的推移，測量誤差會(huì)導(dǎo)致嚴(yán)重的充電狀態(tài)電池組誤差。測量電荷時(shí)，50 µV 或更小的測量偏移和 16 位分辨率就足夠了。

電池電壓和最大化電池壽命

監(jiān)測電池組中每個(gè)電池的電池電壓對(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)該在該窗口進(jìn)行充電/放電，以確保正常工作和電池壽命。如果應(yīng)用使用鋰化學(xué)電池，工作電壓通常在 2.5 到 4.2 V 之間。電壓范圍取決于化學(xué)成分。在電壓范圍之外運(yùn)行電池會(huì)顯著降低電池的壽命并使其無用。

電池串聯(lián)和并聯(lián)以形成電池組。并聯(lián)增加了電池組的電流驅(qū)動(dòng)，而串聯(lián)增加了總電壓。電池的性能有一個(gè)分布：在時(shí)間為零時(shí)，電池組電池的充電和放電速率相同。隨著每個(gè)電池在充電和放電之間循環(huán)，每個(gè)電池的充電和放電速率都會(huì)發(fā)生變化。這導(dǎo)致整個(gè)電池組的分布分布。

確定電池組是否已充電的一種簡單方法是將每個(gè)電池的電壓監(jiān)測到設(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。弱于平均水平的電池組會(huì)導(dǎo)致最弱的電池首先達(dá)到極限，從而使其余電池?zé)o法完全充電。

如上所述，充電方案不會(huì)使每次充電的電池組開啟時(shí)間最大化。充電方案縮短了電池組的使用壽命，因?yàn)樗枰嗟某潆姾头烹娧h(huán)。較弱的電池放電更快。也發(fā)生在放電循環(huán)中；較弱的電池首先超出放電限制，其余電池剩余電量。

有兩種方法可以提高每次電池組充電的開啟時(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。這是通過將旁路 FET 與電池兩端的限流電阻連接來實(shí)現(xiàn)的（圖 3A）。它從電流最大的電池中獲取電流，從而導(dǎo)致電池充電速度減慢。結(jié)果，其他電池組電池能夠趕上。最終目標(biāo)是通過使所有電池同時(shí)達(dá)到完全充電極限來最大化電池組的充電容量。

3. 旁路電池平衡 FET 有助于在充電周期 (A) 期間減慢電池的充電速率。在放電循環(huán)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 (B)。

第二種方法是通過實(shí)施充電-置換方案來平衡電池組的放電循環(huán)。它是通過電感耦合或電容存儲(chǔ)從 alpha 電池中獲取電荷并將存儲(chǔ)的電荷注入最弱的電池來實(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，也稱為主動(dòng)平衡（圖 3B）。

溫度監(jiān)測

今天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)致失控情況，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——用正確的物體刺穿電池也會(huì)使電池著火。溫度測量不僅用于安全，還可以確定是否需要對(duì)電池進(jìn)行充電或放電。

溫度傳感器監(jiān)控每個(gè)電池的能量存儲(chǔ)系統(tǒng) (ESS) 應(yīng)用或一組電池以用于更小和更便攜的應(yīng)用。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。此外，內(nèi)部電壓基準(zhǔn)有助于減少溫度讀數(shù)相對(duì)于環(huán)境溫度變化的不準(zhǔn)確性。

其他 BMS 構(gòu)建塊

其他功能 BMS 模塊可能包括電池認(rèn)證、實(shí)時(shí)時(shí)鐘 (RTC)、內(nèi)存和菊花鏈。RTC 和內(nèi)存用于黑盒應(yīng)用——RTC 用作時(shí)間戳，內(nèi)存用于存儲(chǔ)數(shù)據(jù)。這讓用戶在災(zāi)難性事件之前了解電池組的行為。電池認(rèn)證模塊可防止 BMS 電子設(shè)備連接到第三方電池組。電壓基準(zhǔn)/穩(wěn)壓器用于為 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。