如何設(shè)計電池管理系統(tǒng)，AFE系統(tǒng)介紹

在過去十年中，電池供電的應(yīng)用已變得司空見慣，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，以確保在電池的整個生命周期內(nèi)提供信息豐富且安全的用戶體驗。設(shè)計合適的 BMS 不僅從安全的角度來看至關(guān)重要，而且對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 IC 組成：模擬前端 (AFE)、微控制器 (MCU) 和電量計。電量計可以是獨(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從 AFE 和電量計獲取信息。

AFE 為 MCU 和電量計提供來自電池的電壓、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，斷路器會將電池與系統(tǒng)的其余部分?jǐn)嚅_。

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

· 高效設(shè)計：使用專用 IC 運(yùn)行復(fù)雜的電量計算法，設(shè)計人員可以使用規(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：專用電量計可以測量電池組中每個串聯(lián)電池組合的單個 SoC 和 SoH，從而在電池的整個生命周期內(nèi)實(shí)現(xiàn)更精確的測量精度和老化檢測。這很重要，因為電池阻抗和容量會隨著時間的推移而發(fā)散，從而影響運(yùn)行時間和安全性。

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

提高 SoC 和 SoH 精度

設(shè)計精確 BMS 的主要目標(biāo)是為電池組的 SoC(剩余運(yùn)行時間/范圍)和 SoH(壽命和狀況)提供精確計算。BMS 設(shè)計人員可能認(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量容差的非常昂貴的 AFE，但這只是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算法，其次是 AFE 為電池電阻計算提供同步電壓-電流讀數(shù)的能力。

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

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 都為每個電池提供實(shí)際的同步電流和電壓測量。這一稱為電壓-電流同步讀數(shù)的功能使電量計能夠準(zhǔn)確估計電池的等效串聯(lián)電阻 (ESR)。由于 ESR 會隨著不同的操作條件和時間而變化，因此實(shí)時估計 ESR 可以實(shí)現(xiàn)更準(zhǔn)確的 SoC 估計。

同步讀取的 SoC 誤差如何顯著低于沒有同步讀取的誤差，尤其是在幾個放電周期之后。這些結(jié)果是使用集成了 ESR 檢測和熱建模的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，在檢測到故障時保護(hù)系統(tǒng)和電池。一些系統(tǒng)在 MCU 中實(shí)現(xiàn)故障控制，但這會導(dǎo)致更長的響應(yīng)時間并需要 MCU 提供更多資源，從而增加固件的復(fù)雜性。

高級 AFE 使用其 ADC 讀數(shù)和用戶配置來檢測任何故障情況。AFE 通過打開保護(hù) MOSFET 對故障做出反應(yīng)，以確保真正的硬件保護(hù)。AFE 也經(jīng)過全面測試，這使得保證強(qiáng)大的安全系統(tǒng)變得簡單。通過這種方式，MCU 可以用作二級保護(hù)機(jī)制，以獲得更高級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)計人員選擇是通過 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 BMS 時，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)，因為它們與 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)短路時的潛在安全和通信問題。此外，干凈、穩(wěn)定的 GND 連接有助于減少參考信號波動，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，驅(qū)動其柵極需要高于電池組電壓的電壓，這使得設(shè)計過程更具挑戰(zhàn)性。因此，集成到 AFE 中的專用電荷泵通常用于高端架構(gòu)，這會增加總體成本和 IC 電流消耗。

對于低端配置，電荷泵不是必需的，因為保護(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，因為當(dāng)保護(hù)打開時沒有 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 軟開啟功能，無需任何額外的預(yù)充電電路，進(jìn)一步最小化 BOM 尺寸和成本。軟開啟是通過緩慢增加保護(hù) FET 的柵極電壓實(shí)現(xiàn)的，允許小電流流過保護(hù)以對負(fù)載進(jìn)行預(yù)充電?？梢耘渲脦讉€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)故障的時間。