电池管理系统设计自学笔记

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随着新能源汽车的飞速发展，BMS的应用已经变得司空见惯。BMS负责监控和保护电池， 防止可能损害电池、车辆、用户或周围环境的情况。BMS 还负责提供准确的SoC和SoH估算，以确保在电池的整个生命周期内尽量降低电池性能以及容量的衰减，保证用户的驾车体验。

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（如图 1）。电量计可以是独立的 IC，也可以嵌入在 MCU 中。MCU 是 BMS 的核心元件，在与系统其余部分连接的同时，也从AFE 和电量计获取信息。



图1 BMS 架构框图

AFE 为MCU和电量计提供电芯和模组的电压、温度和电流等信息。由于AFE在物理上离电池最近，AFE还可以控制断路器，如果触发任何故障，断路器会将电池与系统的其余部分断开。

电量计 IC 从 AFE 获取电芯信息，然后使用复杂的电池建模和高级算法来估计关键参数，例如 SoC 和 SoH。电量计功能可以通过 MCU来实现，但是使用专用电量计 IC 有几个优点：

高效设计：使用专用 IC 运行复杂的算法，设计人员可以使用规格较低的 MCU，从而降低总体成本和电流消耗。

提高安全性：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，从而在电池的整个生命周期内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散，从而影响运行时间和安全性。

提高SoC和SoH精度

设计高精度的BMS的主要目标是为电池组的 SoC和SoH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精度更高AFE，但这只是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。

电量计通过分析算法实时计算的信息与存储在其内存中的特定电池模型的关系，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、容量和负载条件下对电池进行表征来生成的，以数学方式定义其开路电压以及电阻和电容组件。该模型使电量计的算法能够根据这些参数在不同运行条件下的变化情况来计算最佳 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，计算结果都是不准确的。

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 都为每个电池提供实际的同步电流和电压测量。这一称为电压-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 会随着不同的操作条件和时间而变化，因此实时估计 ESR 可以实现更准确的 SoC 估计。

图 2显示了同步读取的与没有同步读取的误差对比。



图 2有和没有同步读取的 SoC 误差比较

AFE 直接故障控制

如前所述，AFE 在 BMS 中扮演的最重要的角色是保护管理。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 MCU 提供更多资源，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 对故障做出反应，以确保真正的硬件保护。通过这种方式，MCU 可以作为二级保护机制，以获得更高的安全性和鲁棒性。

高低压测的电池保护

在设计 BMS 时，重要的是要考虑电池保护断路器的放置位置。通常，这些电路使用 N 沟道 MOSFET 实现，因为它们与 P 沟道 MOSFET 相比具有更低的内阻。这些断路器可以放置在高压侧（电池的正极端子）或低压侧（电池的负极端子）。

高侧架构确保可以确保良好的接地 (GND)，从而避免出现短路时的潜在安全和通信问题。此外干净、稳定的 GND 连接有助于减少参考信号波动，这是 MCU精确操作的关键。

然而，当 N 沟道 MOSFET 置于电池正极时，驱动其栅极需要高于电池组的电压，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端架构，这会增加总体成本和 IC 电流消耗。

对于低端配置，电荷泵不是必需的，但是低压侧配置中实现有效通信更加困难，因为当保护打开时没有 GND 参考。

电池平衡以延长电池寿命

动力电池包通常由许多串联和并联的电芯组成。每个电芯在理论上都是相同的，但由于制造公差和化学差异，每个电芯的行为通常略有不同。随着时间的推移，这些差异变得更加显着，因此电池的均衡就是必不可少的了。

被动均衡是最常见方法，它需要对充电最多的电池进行放电，直到它们都具有相等的电荷。AFE 中的被动单元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（如图3所示）。



图3 外部电池平衡框图

另一方面，内部平衡不会增加 BOM，但由于散热，它通常会将平衡电流限制在较低的值（如图4）。在决定内部平衡和外部平衡时，需要考虑外部硬件的成本和目标平衡电流。



图4 内部单元平衡框图

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对于电池管理系统（BMS）中的模拟前端（AFE）设计而言，其核心职责是对电池中的电流、电压以及其他重要参数进行准确高效的采集和转换。它需要将采集到的模拟信号转换成微控制器（MCU）可识别的数字信号，确保信号的真实性和稳定性。AFE的精确性能对BMS的整体工作至关重要，直接影响到电池状态的估算和车辆的安全性。在实际自学过程中，建议重点理解并掌握AFE的工作原理、电路设计和信号处理流程，这是深入理解BMS设计的基础。

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对于电池管理系统（BMS）中的模拟前端（AFE）设计而言，其核心功能是负责处理并传递电池信号的实时监测数据至微控制器（MCU）。AFE需要确保采样高精度和抗干扰性强的数据，包括电压、电流等关键参数，以提供给MCU进行电池状态分析。此外，AFE还需要进行必要的信号调理和转换，以确保数据的准确性和可靠性。因此，在自学BMS设计时，需要重点关注AFE的电路设计和信号处理算法，以实现对电池性能的有效监控和保护。图1展示了AFE在BMS架构中的重要位置和作用。