設(shè)計(jì)更精確的電池管理系統(tǒng)

在過(guò)去十年中，電池供電應(yīng)用已變得十分普遍，此類(lèi)設(shè)備需要一定程度的保護(hù)才能確保安全使用。電池管理系統(tǒng) (BMS) 可監(jiān)控電池和可能的故障情況，防止電池出現(xiàn)性能下降、容量衰減甚至可能對(duì)用戶或周?chē)h(huán)境造成危害的情況。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)使用壽命期間提供豐富且安全的用戶體驗(yàn)。設(shè)計(jì)合適的 BMS 不僅從安全角度至關(guān)重要，而且對(duì)于客戶滿意度也至關(guān)重要。

低壓或中壓 BMS 的完整結(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 IC，也可以嵌入 MCU 中。MCU 是 BMS 的核心元件，它從 AFE 和電量計(jì)獲取信息，同時(shí)與系統(tǒng)的其余部分交互。

AFE 為 MCU 和電量計(jì)提供電池的電壓、溫度和電流讀數(shù)。由于 AFE 在物理上最靠近電池，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)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)雜的單元建模和高級(jí)算法來(lái)估算關(guān)鍵參數(shù)，例如 SoC 和 SoH。與 AFE 類(lèi)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 具有以下幾個(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，允許設(shè)計(jì)人員使用規(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)電池組合的單獨(dú) SoC 和 SoH，從而實(shí)現(xiàn)更精確的測(cè)量精度和電池使用壽命內(nèi)的老化檢測(cè)。這一點(diǎn)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)生變化，從而影響運(yùn)行時(shí)間和安全性。

· 快速上市：電量計(jì) IC 經(jīng)過(guò)了各種情況和測(cè)試案例的全面測(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 準(zhǔn)確性

設(shè)計(jì)精確的 BMS 的主要目標(biāo)是為電池組的 SoC(剩余運(yùn)行時(shí)間/續(xù)航里程)和 SoH(壽命和狀態(tài))提供精確的計(jì)算。BMS 設(shè)計(jì)人員可能認(rèn)為實(shí)現(xiàn)此目標(biāo)的唯一方法是使用具有精確電池電壓測(cè)量公差的非常昂貴的 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)部算法來(lái)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之間的關(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)載條件下表征電池來(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元件。該模型使電量計(jì)的算法能夠根據(jù)這些參數(shù)在不同工作條件下的變化來(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 的測(cè)量有多精確，最終的計(jì)算也不準(zhǔn)確。換句話說(shuō)，采用高精度電量計(jì)對(duì) BMS 的 SoC 精度影響最大。

電壓電流同步讀取

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。此功能稱為電壓-電流同步讀數(shù)，使電量計(jì)能夠準(zhǔn)確估算電池的等效串聯(lián)電阻 (ESR)。由于 ESR 在不同的操作條件下和隨時(shí)間而變化，因此實(shí)時(shí)估算 ESR 可以更準(zhǔn)確地估算 SoC。

同步讀取時(shí)的 SoC 誤差明顯低于非同步讀取時(shí)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得出的。

AFE 直接故障控制

如前所述，AFE 在 BMS 中扮演的最重要角色是保護(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 來(lái)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，這使得保證系統(tǒng)安全可靠變得簡(jiǎn)單。這樣，MCU 可以用作二級(jí)保護(hù)機(jī)制，以實(shí)現(xiàn)更高級(jí)別的安全性和穩(wěn)健性。

MP279x 系列集成了兩種保護(hù)控制形式。這使得設(shè)計(jì)人員可以選擇通過(guò) AFE 還是 MCU 來(lái)控制故障響應(yīng)和/或保護(hù)。

高端與低端電池保護(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，這些電路采用 N 通道 MOSFET 實(shí)現(xiàn)，因?yàn)樗鼈兣c P 通道 MOSFET 相比具有較低的內(nèi)部電阻。這些斷路器可以放置在高壓側(cè)(電池的正極)或低壓側(cè)(電池的負(fù)極)。

高端架構(gòu)可確保接地 (GND) 始終有良好的參考，從而避免短路時(shí)出現(xiàn)潛在的安全和通信問(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 精確運(yùn)行的關(guān)鍵。

然而，當(dāng) N 溝道 MOSFET 位于電池正極時(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，集成在 AFE 中的專用電荷泵通常用于高端架構(gòu)，這會(huì)增加整體成本和 IC 電流消耗。

對(duì)于低端配置，由于保護(hù) MOSFET 位于電池負(fù)極，因此無(wú)需使用電荷泵。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)功能，同時(shí)最大限度地減少 BOM。此外，高精度電荷泵控制可實(shí)現(xiàn) N 通道 MOSFET 軟開(kāi)啟功能，無(wú)需任何額外的預(yù)充電電路，從而進(jìn)一步減少 BOM 尺寸和成本。軟開(kāi)啟是通過(guò)緩慢增加保護(hù) FET 的柵極電壓來(lái)實(shí)現(xiàn)的，允許小電流流過(guò)保護(hù)裝置以對(duì)負(fù)載進(jìn)行預(yù)充電?？梢耘渲枚鄠€(gè)參數(shù)以確保安全轉(zhuǎn)換，例如允許的最大電流或保護(hù) FET 關(guān)閉而不觸發(fā)故障的時(shí)間。

通過(guò)電池平衡延長(zhǎng)電池壽命

為大型系統(tǒng)(例如電動(dòng)自行車(chē)或儲(chǔ)能系統(tǒng))供電的電池組由許多串聯(lián)和并聯(lián)的電池組成。每個(gè)電池在理論上都是相同的，但由于制造公差和化學(xué)差異，每個(gè)電池的行為通常略有不同。隨著時(shí)間的推移，由于不同的操作條件和老化，這些差異變得更加明顯，通過(guò)限制其可用容量或可能損壞電池，嚴(yán)重影響電池性能。為了避免這些危險(xiǎn)情況，重要的是通過(guò)稱為電池平衡的過(guò)程定期均衡串聯(lián)電池電壓。

被動(dòng)平衡是均衡電池電壓的最常見(jiàn)方法，它需要對(duì)充電最多的電池進(jìn)行放電，直到所有電池都具有相等的電量。AFE 中的被動(dòng)電池平衡可以通過(guò)外部或內(nèi)部實(shí)現(xiàn)。外部平衡允許更大的平衡電流，但也會(huì)增加 BOM。

另一方面，內(nèi)部平衡不會(huì)增加 BOM，但由于散熱原因，它通常會(huì)將平衡電流限制在較低值。在內(nèi)部和外部平衡之間做出選擇時(shí)，請(qǐng)考慮外部硬件的成本和目標(biāo)平衡電流。

電池平衡的另一個(gè)重要方面是物理連接。例如，MP279x AFE 系列使用相同的引腳進(jìn)行電壓感測(cè)和平衡。這顯著減少了 IC 尺寸，但意味著連續(xù)的電池?zé)o法同時(shí)平衡，從而增加了執(zhí)行電池平衡所需的時(shí)間。使用專用的平衡引腳可以縮短平衡時(shí)間，但會(huì)顯著增加 IC 尺寸和總體成本。

AFE 安全功能

正如本文所述，控制系統(tǒng)保護(hù)和故障響應(yīng)的 AFE 在 BMS 設(shè)計(jì)中極其重要。在打開(kāi)或關(guān)閉保護(hù) FET 之前，AFE 必須能夠檢測(cè)到這些不良情況。

電池和電池組級(jí)故障，例如過(guò)壓 (OV)、欠壓 (UV)、過(guò)流 (OC)、短路 (SC)、過(guò)溫 (OT) 和欠溫 (UT) 故障，都應(yīng)受到監(jiān)控。但是，AFE 還可以為某些應(yīng)用提供其他有益的保護(hù)和功能。例如，自檢允許 IC 檢測(cè)其內(nèi)部 ADC 是否發(fā)生故障，從而防止系統(tǒng)測(cè)量錯(cuò)誤。增強(qiáng)的看門(mén)狗定時(shí)器功能還可在主 MCU 無(wú)響應(yīng)時(shí)確保穩(wěn)健性和安全性。

MP279x 系列提供上述故障保護(hù)，具有高度可配置性，使用戶能夠?yàn)槊總€(gè)故障定義不同的閾值、去尖峰時(shí)間和滯后。這些設(shè)備還依靠?jī)蓚€(gè)不同的比較器來(lái)處理 SC 和 OC 故障情況，以最大限度地縮短響應(yīng)時(shí)間。它們還提供故障自動(dòng)恢復(fù)配置，這意味著它們可以自動(dòng)從大多數(shù)故障中恢復(fù)，而無(wú)需 MCU 采取任何行動(dòng)。

結(jié)論

BMS監(jiān)視電池組，以保護(hù)電池和系統(tǒng)的其他部分。不合格的BMS不僅降低了系統(tǒng)的安全性，而且還提供了不準(zhǔn)確的電池SoC管理。這些不準(zhǔn)確度對(duì)產(chǎn)品的最終質(zhì)量有非常顯著的影響，因?yàn)樗鼈兛赡軐?dǎo)致潛在的危險(xiǎn)故障，或?qū)τ脩趔w驗(yàn)產(chǎn)生負(fù)面影響的故障。為了減輕這些問(wèn)題，本文解釋了設(shè)計(jì)人員在設(shè)計(jì)BMS時(shí)應(yīng)該期望和尋找什么。了解更多關(guān)于電池管理系統(tǒng)是如何工作的，以及如何用MPS的BMS評(píng)估工具包來(lái)設(shè)計(jì)它們。