在过去十年中，电池供电应用已变得司空见惯，此类设备需要一定程度的保护以确保安全使用。电池管理系统 (BMS) 监控电池和可能的故障情况，防止电池出现性能下降、容量衰减甚至可能对用户或周围环境造成伤害的情况。BMS 还负责提供准确的充电状态 (SoC) 和健康状态 (SoH) 估计，以确保在电池的整个生命周期内提供信息丰富且安全的用户体验。设计合适的 BMS 不仅从安全的角度来看至关重要，而且对于客户满意度而言也是如此。
    完整的低压或中压 BMS 的主要结构通常由三个 IC 组成：模拟前端 (AFE)、微控制器 (MCU) 和电量计（见图 1 ）。电量计可以是独立的 IC，也可以嵌入 MCU 中。MCU 是 BMS 的核心元素，它从 AFE 和电量计获取信息，同时与系统的其余部分连接。

    图 1 BMS 架构的框图。
    AFE 为 MCU 和电量计提供电池的电压、温度和电流读数。由于 AFE 在物理上最靠近电池，因此建议 AFE 还控制断路器，如果触发任何故障，断路器会断开电池与系统其余部分的连接。
    电量计 IC 从 AFE 获取读数，然后使用复杂的电池建模和高级算法来估算关键参数，例如 SoC 和 SoH。与 AFE 类似，电量计的一些任务可以包含在 MCU 代码中；然而，使用专用电量计 IC 具有以下几个优势：
    高效设计：使用专用 IC 运行复杂的电量计算法使设计人员能够使用规格较低的 MCU，从而降低总体成本和电流消耗。
    提高洞察力和安全性：专用电量计可以测量电池组中每个串联电池组合的单个 SoC 和 SoH，从而在电池的整个使用寿命期间实现更精确的测量精度和老化检测。这很重要，因为电池阻抗和容量会随着时间的推移而发生变化，从而影响运行时间和安全性。
    快速上市：电量计 IC 针对各种情况和测试案例进行了全面测试。这减少了测试复杂算法的时间和成本，同时加快了上市时间。
    提高 SoC 和 SoH 精度
    设计精确 BMS 的主要目标是为电池组的 SoC（剩余运行时间/范围）和 SoH（寿命和状况）提供精确计算。BMS 设计人员可能认为实现这一目标的唯一方法是使用具有精确电池电压测量容差的非常昂贵的 AFE，但这只是影响整体计算精度的一个因素。最重要的因素是电量计电池模型和电量计算法，其次是 AFE 为电池电阻计算提供同步电压-电流读数的能力。
    电量计使用其内部算法运行复杂的计算，通过分析这些值与存储在其内存中的特定电池模型之间的关系，将电压、电流和温度测量值转换为 SoC 和 SoH 输出。电池模型是通过在不同温度、容量和负载条件下表征电池来生成的，以从数学上定义其开路电压以及电阻和电容元件。该模型使电量计的算法能够根据这些参数在不同操作条件下的变化来计算最佳 SoC。因此，如果电量计的电池模型或算法不准确，则无论 AFE 进行测量的精度如何，计算结果也不准确。换句话说，
    电压电流同步读数
    尽管几乎所有 AFE 都为电压和电流提供不同的 ADC，但并非所有 AFE 都为每节电池提供实际的同步电流和电压测量。这种称为电压-电流同步读数的功能使电量计能够准确估计电池的等效串联电阻 (ESR)。由于 ESR 在不同的操作条件下随时间变化，因此实时估算 ESR 可实现更准确的 SoC 估算。
    图 2显示了同步读取的 SoC 误差如何显着低于没有同步读取的误差，尤其是在几个放电周期之后。这些结果是使用集成了 ESR 检测和热建模的MPF42791提取的。

    图 2使用和不使用同步读取的 SoC 误差比较。
    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护管理。AFE 可以直接控制保护电路，在检测到故障时保护系统和电池。一些系统在 MCU 中实现故障控制，但这会导致更长的响应时间并需要更多的 MCU 资源，从而增加固件的复杂性。
    高级 AFE 使用其 ADC 读数和用户配置来检测任何故障情况。AFE 通过打开保护 MOSFET 来对故障做出反应，以确保真正的硬件保护。AFE 也经过全面测试，这使得确保稳健的安全系统变得简单。这样，MCU 可用作二级保护机制，以实现更高级别的安全性和稳健性。
    MP279x 系列集成了两种形式的保护控制。这允许设计人员选择是通过 AFE 还是 MCU 控制故障响应和/或保护。
    高侧与低侧电池保护
    设计 BMS 时，重要的是要考虑电池保护断路器的放置位置。通常，这些电路是用 N 沟道 MOSFET 实现的，因为与 P 沟道 MOSFET 相比，它们具有较低的内阻。这些断路器可以放置在高压侧（电池的正极）或低压侧（电池的负极）。
    高侧架构确保接地 (GND) 始终保持良好的参考，从而避免出现短路时的潜在安全和通信问题。此外，与 GND 的清洁、持续连接有助于减少参考信号波动，这是精确 MCU 操作的关键。
    然而，当 N 沟道 MOSFET 位于电池正极端子时驱动它们的栅极需要高于电池组电压的电压，这使得设计过程更具挑战性。因此，集成到 AFE 中的专用电荷泵通常用于高侧架构，这增加了总体成本和 IC 电流消耗。
    对于低侧配置，电荷泵不是必需的，因为保护 MOSFET 位于电池的负极。然而，在低侧配置中实现有效通信更加困难，因为保护打开时没有 GND 参考。
    MP279x 系列采用高端架构，可提供强大的保护，同时最大限度地减少 BOM。此外，高精度电荷泵控制支持 N 沟道 MOSFET 软启动功能，不需要任何额外的预充电电路，进一步减少 BOM 尺寸和成本。软启动是通过缓慢增加保护 FET 的栅极电压来实现的，允许小电流流过保护以对负载进行预充电（见图 3 ）。可以配置多个参数以确保安全转换，例如最大允许电流，或保护 FET 在不触发故障的情况下关闭之前的时间。
    为大型系统（例如电动自行车或储能系统）供电的电池组由许多串联和并联的电池组成。每个电池在理论上都是相同的，但由于制造公差和化学差异，每个电池的行为通常略有不同。随着时间的推移，由于不同的操作条件和老化，这些差异变得更加显着，通过限制其可用容量或可能损坏电池来严重影响电池性能。为了避免这些危险情况，重要的是通过称为电池平衡的过程定期均衡串联的电池电压。
    被动平衡是均衡电池电压的最常见方法，它需要对充电最多的电池进行放电，直到它们都具有相同的电荷。AFE 中的被动电池平衡可以在外部或内部完成。外部平衡允许更大的平衡电流，但也会增加 BOM.
     另一方面，内部平衡不会增加 BOM，但通常会因散热而将平衡电流限制在较低值（见图5）。在决定内部平衡还是外部平衡时，请考虑外部硬件的成本和目标平衡电流。
    图 5内部电池平衡框图。
    电池平衡的另一个重要方面是物理连接。例如，MP279x AFE 系列使用相同的引脚进行电压检测和平衡。这显着减小了 IC 尺寸，但意味着不能同时平衡连续的电池，从而增加了执行电池平衡所需的时间。使用专用平衡引脚可减少平衡时间，但会显着增加 IC 尺寸和总体成本。
    AFE 安全功能
    正如本文通篇所述，控制系统保护和故障响应的 AFE 在 BMS 设计中极为重要。在打开或关闭保护 FET 之前，AFE 必须能够检测到这些不良情况。
    电芯级和电池组级故障，例如过压（OV）、欠压（UV）、过流（OC）、短路（SC）、过温（OT）和欠温（ UT) 故障都应该被监控。但是，AFE 可以为某些应用提供其他有益的保护和功能。例如，自测试允许 IC 检测其内部 ADC 是否发生故障，从而防止系统进行错误测量。增强的看门狗定时器功能还可确保主 MCU 未响应时的稳健性和安全性。
    MP279x系列提供上面列出的具有高度可配置性的故障保护，使用户能够为每个故障定义不同的阈值、去毛刺时间和迟滞。这些器件还依靠两个不同的比较器来处理 SC 和 OC 故障条件，以最大限度地缩短响应时间。它们还提供故障自动恢复配置，这意味着它们可以从大多数故障中自动恢复，而无需 MCU 采取任何操作。
    结论
    BMS 监控电池组以保护电池和系统的其余部分。不合标准的 BMS 不仅会降低系统的安全性，还会提供不准确的电池 SoC 管理。这些不准确会对产品的最终质量产生非常重大的影响，因为它们可能导致潜在的危险故障，或者对用户体验产生负面影响的故障。为了缓解这些问题，本文解释了设计人员在设计 BMS 时应该期待和寻找的内容。详细了解电池管理系统的工作原理以及如何使用 MPS 的BMS 评估套件进行设计。