如今，鋰離子電池占據主導地位，能量密度高達 265 Wh/kg。然而，如果它們承受過大的壓力，它們確實有偶爾發生爆炸和燃燒的新聞。這就是為什么電池需要電池管理系統 (BMS) 來控制它們。
在本文中，我們將討論 BMS 概念的基礎知識，并討論構成典型 BMS 的幾個基本部分。
BMS基本配置
在圖 1 中，我們看到了 BMS 在發揮防止重大電池故障功能時的基本框圖。
圖 1.典型 BMS 框圖
此示例 BMS 可以處理四個串聯的鋰離子電池。電池監視器讀取所有電池電壓并平衡它們之間的電壓：此功能稱為平衡（稍后會詳細介紹）。這由處理遙測數據以及開關操作和平衡策略的 MCU 控制。
實際上，市場為更簡單的設計提供了不同的解決方案，包括沒有平衡的單節電池或 MCU，如圖 2 所示。
圖 2.一個簡單的電池管理器。圖片由德州儀器提供
這些更簡單的系統的缺點是設計人員必須使用給定部件提供的功能（例如，高側或低側開關）而無需定制。
當使用更多電池時，需要一個平衡系統。存在無需 MCU 仍能正常工作的簡單方案，如圖 3 所示。
圖 3. 獨立于 MCU 的電池平衡器。圖片由德州儀器提供
當使用更大的電池組或任何需要串聯電池或電量計計算的東西時，需要一個 MCU。集成度最高（因此成本最低）的解決方案是圖 4 中的解決方案。
圖 4. 商用 BMS。圖片由瑞薩電子提供
這是一個 BMS，它使用具有專有固件的 MCU，運行所有相關的電池相關功能。
構建模塊：電池管理系統組件
回顧圖 1，了解對 BMS 至關重要的基本部分。現在，讓我們更詳細地瀏覽一下圖 4 的主要部分，以了解 BMS 框圖中涉及的各種元素。
保險絲
當發生劇烈短路時，需要對電芯進行快速保護。在圖 5 中，您可以看到所謂的自控保護器 (SCP) 保險絲，它意味著在過壓情況下由過壓控制 IC 熔斷，將引腳 2 驅動至接地。
圖 5. 商用 BMS 的 SCP 熔斷器和控制
MCU 可以傳達保險絲熔斷的情況，這就是為什么 MCU 電源必須在保險絲之前。
電流感應/庫侖計數
這里實現了低端電流測量，允許直接連接到 MCU。
圖 6. 商用 BMS 的典型低電流檢測
保持時間參考并隨時間積分電流，我們獲得進入或離開電池的總能量，實現庫侖計數器。換句話說，我們可以使用以下公式估算充電狀態（SOC，不要與片上系統混淆）：
其中
- SOC（t0）是初始 SOC（以 Ah 為單位）
- Crated是額定容量（Ah）
- Ib是電池電流
- Iloss考慮到細胞反應損失
τ 是電流樣本的平均周期熱敏電阻
溫度傳感器，通常是熱敏電阻，用于溫度監測和安全干預。
在圖 7 中，您可以看到控制過壓控制 IC 輸入的熱敏電阻。這會在沒有 MCU 干預的情況下人為地熔斷 SCP（圖 5 中所示的保險絲）。
圖 7. 熱敏電阻可以控制 SCP，以防出現嚴重的熱問題
圖 8 顯示了另外兩個用于遙測的熱敏電阻。
圖 8. 固件使用的熱敏電阻
主開關
為了充當開關，MOSFET 需要它們的漏源電壓為Vds≤Vgs−Vth. 線性區的電流為，使開關的電阻.
驅動電壓Vgs很重要，因此，以確保低電阻，因此低損耗。
圖 9. 電池組主開關（NMOS，高側）
NMOS 類型也通過電荷泵用于高端開關，因為它們通常具有較低的Rdson.
平衡器
電池單元在其容量和阻抗方面具有容差。因此，在多個循環中，電荷差異會在串聯電池之間累積。
如果一組較弱的電池容量較小，與其他串聯電池相比，它的充電速度會更快。因此，BMS 必須阻止其他電池充電，否則較弱的電池將過度充電，如圖 10 所示。
圖 10. 阻礙電池組完全充電的低容量電池。圖片由ADI 公司提供
相反，電池可以更快地放電，從而使電池有可能低于其最低電壓。在這種情況下，沒有平衡器的 BMS 必須提前停止供電，如圖 11 所示。
圖 11. 低容量電池阻礙了完整電池組能量的使用。圖片由ADI 公司提供
類似圖 12 中的電路將在其他串聯電池的水平上對具有較高 SOC（充電狀態）的電池進行放電，如圖 10 所示。這是通過使用稱為電荷分流的被動平衡方法來實現的。
圖 12.被動平衡策略示例
因為電流流過處于導通狀態的晶體管并通過 R 耗散，并且因為電壓參考是 CELL1（負極），所以只有這樣的電池才會釋放其多余的能量。