电池管理系统简介

了解有关电池管理系统 (BMS) 在电源设计中所起的作用以及其基本功能需要哪些组件的高级基础知识。

如今，锂离子电池占据主导地位，能量密度高达 265 Wh/kg。然而，他们确实有名声，如果他们承受过度的压力，偶尔会爆发和燃烧所有的能量。这就是为什么他们经常需要电池管理系统 (BMS) 来控制它们。

在本文中，我们将讨论 BMS 概念的基础知识，并介绍构成典型 BMS 的几个基础部分。

BMS 基本配置

在图 1 中，我们看到了 BMS 在提供防止主要电池故障的功能时的外观基本块。

图 1。 一个典型的BMS框图

这个示例 BMS 可以处理四个串联的锂离子电池。电池监视器读取所有电池电压并平衡它们之间的电压：此功能称为平衡（稍后会详细介绍）。这由处理遥测数据以及开关操作和平衡策略的 MCU 控制。

在实践中，市场为更简单的设计提供了不同的解决方案，包括没有平衡或 MCU 的单节电池，如图 2 所示。

图 2. 一个简单的电池管理器。图片由德州仪器提供

这些更简单的系统的缺点是，设计人员受制于给定部件提供的东西（例如，高侧或低侧开关）而无需定制。

当使用更多电池时，需要一个平衡系统。存在无需 MCU 仍可运行的简单方案，如图 3 所示。

图 3。 独立于 MCU 的电池平衡器。图片由德州仪器提供

当使用更大的电池组或任何需要串联电池或电量计计算的东西时，就需要 MCU。集成度最高（因此成本最低）的解决方案是图 4 中的解决方案。

图 4。 一个商业 BMS。图片由瑞萨提供

这是一个 BMS，它使用带有专有固件的 MCU，运行所有相关的电池相关功能。

构建模块：电池管理系统组件

回顾图 1，大致了解对 BMS 至关重要的基本部分。现在，让我们更详细地浏览图 4 的主要部分，以了解 BMS 框图中涉及的各种元素。

保险丝

当发生剧烈短路时，需要对电芯进行快速保护。在图5中，您可以看到所谓的自控保护器（SCP）保险丝，它的意思是在过压时被过压控制IC熔断，将引脚2接地。

图 5。 商用BMS的SCP熔断与控制

MCU 可以传达保险丝熔断的情况，这就是为什么 MCU 电源必须在保险丝之前。

电流感应/库仑计数

这里实现了低侧电流测量，允许直接连接到 MCU。

图 6。 商用 BMS 的典型低电流检测

保持时间参考并随时间积分电流，我们获得进入或离开电池的总能量，实现库仑计数器。换句话说，我们可以使用以下公式估算荷电状态（SOC，不要与片上系统混淆）：

哪里

• $$SOC(t_0)$$ 是初始 SOC（以 Ah 为单位）
• $$C_{rated}$$ 是额定容量（以 Ah 为单位）
• $$I_b$$ 是电池电流
• $$I_{loss}$$ 考虑了细胞反应损失
• τ 是电流样本的平均周期

热敏电阻

温度传感器，通常是热敏电阻，用于温度监测和安全干预。

在图 7 中，您可以看到控制过压控制 IC 输入的热敏电阻。这在没有 MCU 干预的情况下人为地烧断了 SCP（图 5 所示的保险丝）。

图 7。 热敏电阻可以控制 SCP，以防出现严重的热问题

图 8 显示了用于遥测的两个附加热敏电阻。

图 8。 固件使用的热敏电阻

主开关

作为开关，MOSFET 需要它们的漏源电压为 $$V_{ds} \leq V_{gs} - V_{th}$$。线性区域的电流为$$I_d =k \cdot (V_{gs} - V_{th}) \cdot V_{ds}$$，使得开关的电阻$$R_{MOS} =1 / [k \cdot (V_{gs} - V_{th})]$$.

重要的是要相应地驱动 $$V_{gs}$$ 以确保低阻力和低损失。

图 9. 电池组主开关（NMOS，高边）

NMOS 类型也通过电荷泵用于高侧开关，因为它们通常具有较低的 $$R_{MOS}$$。

平衡器

电池单元在其容量和阻抗方面给出了容差。因此，在循环过程中，串联电池之间会积累电荷差异。

如果一组较弱的电池容量较小，则与其他串联电池相比，它的充电速度会更快。因此，BMS 必须停止其他电池充电，否则较弱的电池将过度充电，如图 10 所示。

图 10。 低容量电池阻碍电池组完全充电。图片由 Analog Devices 提供

相反，电池可以更快地放电，从而冒着电池低于其最小电压的风险。在这种情况下，没有平衡器的 BMS 必须提前停止供电，如图 11 所示。

图 11。 较低容量的电池阻碍了完整电池组能量的使用。图片由 Analog Devices 提供

类似图 12 中的电路将以更高的 SOC（充电状态）对电池放电，如图 10 所示，在其他串联电池的电平上。这是通过使用一种称为电荷分流的被动平衡方法来实现的。

图 12。 被动平衡策略示例

因为电流流过导通状态的晶体管并通过R耗散，并且因为电压参考是CELL1（负极），只有这样的电池才会释放其多余的能量。

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本文旨在介绍电池管理系统的基本概念，并介绍其设计中使用的基本组件。希望您现在对电池管理系统的目的以及如何在电源设计中使用有了更好的了解。

如果您有其他关于 BMS 设计的概念想要了解更多，请在下方留言。