如何設(shè)計(jì)電池管理系統(tǒng)，AFE系統(tǒng)介紹

在過(guò)去十年中，電池供電的應(yīng)用已變得司空見(jiàn)慣，此類設(shè)備需要一定程度的保護(hù)以確保安全使用。電池管理系統(tǒng) (BMS) 監(jiān)控電池和可能的故障情況，防止電池出現(xiàn)性能下降、容量衰減甚至可能損害用戶或周圍環(huán)境的情況。BMS 還負(fù)責(zé)提供準(zhǔn)確的充電狀態(tài) (SoC) 和健康狀態(tài) (SoH) 估計(jì)，以確保在電池的整個(gè)生命周期內(nèi)提供信息豐富且安全的用戶體驗(yàn)。設(shè)計(jì)合適的 BMS 不僅從安全的角度來(lái)看至關(guān)重要，而且對(duì)于客戶滿意度也很重要。

用于低壓或中壓的完整 BMS 的主要結(jié)構(gòu)通常由三個(gè) IC 組成：模擬前端 (AFE)、微控制器 (MCU) 和電量計(jì)。電量計(jì)可以是獨(dú)立的 IC，也可以嵌入在 MCU 中。MCU 是 BMS 的核心元件，在與系統(tǒng)其余部分連接的同時(shí)從 AFE 和電量計(jì)獲取信息。

AFE 為 MCU 和電量計(jì)提供來(lái)自電池的電壓、溫度和電流讀數(shù)。由于 AFE 在物理上離電池最近，因此建議 AFE 還控制斷路器，如果觸發(fā)任何故障，斷路器會(huì)將電池與系統(tǒng)的其余部分?jǐn)嚅_(kāi)。

電量計(jì) IC 從 AFE 獲取讀數(shù)，然后使用復(fù)雜的電池建模和高級(jí)算法來(lái)估計(jì)關(guān)鍵參數(shù)，例如 SoC 和 SoH。與 AFE 類似，電量計(jì)的一些任務(wù)可以包含在 MCU 代碼中;但是，使用專用電量計(jì) IC 有幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)：

· 高效設(shè)計(jì)：使用專用 IC 運(yùn)行復(fù)雜的電量計(jì)算法，設(shè)計(jì)人員可以使用規(guī)格較低的 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(jì)可以測(cè)量電池組中每個(gè)串聯(lián)電池組合的單個(gè) SoC 和 SoH，從而在電池的整個(gè)生命周期內(nèi)實(shí)現(xiàn)更精確的測(cè)量精度和老化檢測(cè)。這很重要，因?yàn)殡姵刈杩购腿萘繒?huì)隨著時(shí)間的推移而發(fā)散，從而影響運(yùn)行時(shí)間和安全性。

· 快速上市：電量計(jì) IC 已針對(duì)各種情況和測(cè)試用例進(jìn)行了全面測(cè)試。這減少了測(cè)試復(fù)雜算法的時(shí)間和成本，同時(shí)加快了上市時(shí)間。

提高 SoC 和 SoH 精度

設(shè)計(jì)精確 BMS 的主要目標(biāo)是為電池組的 SoC(剩余運(yùn)行時(shí)間/范圍)和 SoH(壽命和狀況)提供精確計(jì)算。BMS 設(shè)計(jì)人員可能認(rèn)為實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)的唯一方法是使用具有精確電池電壓測(cè)量容差的非常昂貴的 AFE，但這只是整體計(jì)算精度的一個(gè)因素。最重要的因素是電量計(jì)電池模型和電量計(jì)算法，其次是 AFE 為電池電阻計(jì)算提供同步電壓-電流讀數(shù)的能力。

電量計(jì)使用其內(nèi)部算法運(yùn)行復(fù)雜的計(jì)算，通過(guò)分析這些值與存儲(chǔ)在其內(nèi)存中的特定電池模型的關(guān)系，將電壓、電流和溫度測(cè)量值轉(zhuǎn)換為 SoC 和 SoH 輸出。電池模型是通過(guò)在不同溫度、容量和負(fù)載條件下對(duì)電池進(jìn)行表征來(lái)生成的，以數(shù)學(xué)方式定義其開(kāi)路電壓以及電阻和電容組件。該模型使電量計(jì)的算法能夠根據(jù)這些參數(shù)在不同運(yùn)行條件下的變化情況來(lái)計(jì)算最佳 SoC。因此，如果電量計(jì)的電池模型或算法不準(zhǔn)確，則無(wú)論 AFE 進(jìn)行測(cè)量的精度如何，計(jì)算結(jié)果都是不準(zhǔn)確的。換句話說(shuō)，

電壓電流同步讀數(shù)

盡管幾乎所有 AFE 都為電壓和電流提供不同的 ADC，但并非所有 AFE 都為每個(gè)電池提供實(shí)際的同步電流和電壓測(cè)量。這一稱為電壓-電流同步讀數(shù)的功能使電量計(jì)能夠準(zhǔn)確估計(jì)電池的等效串聯(lián)電阻 (ESR)。由于 ESR 會(huì)隨著不同的操作條件和時(shí)間而變化，因此實(shí)時(shí)估計(jì) ESR 可以實(shí)現(xiàn)更準(zhǔn)確的 SoC 估計(jì)。

同步讀取的 SoC 誤差如何顯著低于沒(méi)有同步讀取的誤差，尤其是在幾個(gè)放電周期之后。這些結(jié)果是使用集成了 ESR 檢測(cè)和熱建模的MPF42791提取的。

AFE 直接故障控制

如前所述，AFE 在 BMS 中扮演的最重要的角色是保護(hù)管理。AFE 可以直接控制保護(hù)電路，在檢測(cè)到故障時(shí)保護(hù)系統(tǒng)和電池。一些系統(tǒng)在 MCU 中實(shí)現(xiàn)故障控制，但這會(huì)導(dǎo)致更長(zhǎng)的響應(yīng)時(shí)間并需要 MCU 提供更多資源，從而增加固件的復(fù)雜性。

高級(jí) AFE 使用其 ADC 讀數(shù)和用戶配置來(lái)檢測(cè)任何故障情況。AFE 通過(guò)打開(kāi)保護(hù) MOSFET 對(duì)故障做出反應(yīng)，以確保真正的硬件保護(hù)。AFE 也經(jīng)過(guò)全面測(cè)試，這使得保證強(qiáng)大的安全系統(tǒng)變得簡(jiǎn)單。通過(guò)這種方式，MCU 可以用作二級(jí)保護(hù)機(jī)制，以獲得更高級(jí)別的安全性和魯棒性。

MP279x 系列集成了兩種形式的保護(hù)控制。這允許設(shè)計(jì)人員選擇是通過(guò) AFE 還是 MCU 控制故障響應(yīng)和/或保護(hù)。

高側(cè)與低側(cè)電池保護(hù)

在設(shè)計(jì) BMS 時(shí)，重要的是要考慮電池保護(hù)斷路器的放置位置。通常，這些電路使用 N 溝道 MOSFET 實(shí)現(xiàn)，因?yàn)樗鼈兣c P 溝道 MOSFET 相比具有更低的內(nèi)阻。這些斷路器可以放置在高壓側(cè)(電池的正極端子)或低壓側(cè)(電池的負(fù)極端子)。

高側(cè)架構(gòu)確保始終以良好的接地 (GND) 為參考，從而避免出現(xiàn)短路時(shí)的潛在安全和通信問(wèn)題。此外，干凈、穩(wěn)定的 GND 連接有助于減少參考信號(hào)波動(dòng)，這是 MCU 精確操作的關(guān)鍵。

然而，當(dāng) N 溝道 MOSFET 置于電池正極時(shí)，驅(qū)動(dòng)其柵極需要高于電池組電壓的電壓，這使得設(shè)計(jì)過(guò)程更具挑戰(zhàn)性。因此，集成到 AFE 中的專用電荷泵通常用于高端架構(gòu)，這會(huì)增加總體成本和 IC 電流消耗。

對(duì)于低端配置，電荷泵不是必需的，因?yàn)楸Ｗo(hù) MOSFET 放置在電池的負(fù)極。然而，在低端配置中實(shí)現(xiàn)有效通信更加困難，因?yàn)楫?dāng)保護(hù)打開(kāi)時(shí)沒(méi)有 GND 參考。

MP279x 系列采用高側(cè)架構(gòu)，可提供強(qiáng)大的保護(hù)，同時(shí)最大限度地減少 BOM。此外，高精度電荷泵控制支持 N 溝道 MOSFET 軟開(kāi)啟功能，無(wú)需任何額外的預(yù)充電電路，進(jìn)一步最小化 BOM 尺寸和成本。軟開(kāi)啟是通過(guò)緩慢增加保護(hù) FET 的柵極電壓實(shí)現(xiàn)的，允許小電流流過(guò)保護(hù)以對(duì)負(fù)載進(jìn)行預(yù)充電?？梢耘渲脦讉€(gè)參數(shù)以確保安全轉(zhuǎn)換，例如最大允許電流，或直到保護(hù) FET 關(guān)閉而不觸發(fā)故障的時(shí)間。