【導(dǎo)讀】隨著技術(shù)的最新進(jìn)展，你可以改用鋰離子電池來(lái)迅速啟動(dòng)汽車，其重量只有幾磅，尺寸也就人手那么大。電池技術(shù)的不斷變化促使許多新手學(xué)習(xí)如何設(shè)計(jì)電池管理系統(tǒng)。本文提供了有關(guān)電池管理系統(tǒng)（BMS）架構(gòu)的初學(xué)者指南，討論了主要功能塊，并解釋了每個(gè)功能塊對(duì)BMS系統(tǒng)的重要性。
現(xiàn)在的電子設(shè)備具有更高的移動(dòng)性并且比以前更綠色，電池技術(shù)進(jìn)步推動(dòng)了這一進(jìn)展，并惠及了包括便捷式電動(dòng)工具、插電式混合動(dòng)力車、無(wú)線揚(yáng)聲器在內(nèi)的廣泛產(chǎn)品。近年來(lái)，電池效率（輸出功率/尺寸比）和重量均出現(xiàn)大幅改善。試想一下汽車電池得多龐大和笨重，其主要用途是啟動(dòng)汽車。隨著技術(shù)的最新進(jìn)展，你可以改用鋰離子電池來(lái)迅速啟動(dòng)汽車，其重量只有幾磅，尺寸也就人手那么大。電池技術(shù)的不斷變化促使許多新手學(xué)習(xí)如何設(shè)計(jì)電池管理系統(tǒng)。本文提供了有關(guān)電池管理系統(tǒng)（BMS）架構(gòu)的初學(xué)者指南，討論了主要功能塊，并解釋了每個(gè)功能塊對(duì)BMS系統(tǒng)的重要性。
圖 SEQ Figure * ARABIC 1：電池管理系統(tǒng)（BMS）功能塊的簡(jiǎn)化示意圖。
電池管理系統(tǒng)架構(gòu)
電池管理系統(tǒng)（BMS）通常包含若干功能塊，如：FET驅(qū)動(dòng)、電流監(jiān)控、單電池電壓監(jiān)視器、單電池電壓均衡、實(shí)時(shí)時(shí)鐘、溫度監(jiān)控和狀態(tài)機(jī)。市場(chǎng)上有多種類型的BMS IC。從簡(jiǎn)單的模擬前端（如提供均衡和監(jiān)測(cè)功能并需要微控制器的ISL94208）到自主運(yùn)行的獨(dú)立集成解決方案（如ISL94203），功能塊的分組存在很大差異。現(xiàn)在我們來(lái)看每個(gè)功能塊的用途和所使用的技術(shù)，以及每種技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)。
關(guān)斷FET和FET驅(qū)動(dòng)器
FET驅(qū)動(dòng)器功能塊負(fù)責(zé)電池組的連接以及負(fù)載與充電器之間的隔離。FET驅(qū)動(dòng)器的行為可根據(jù)單電池電壓測(cè)量值、電流測(cè)量值和實(shí)時(shí)檢測(cè)電路進(jìn)行操控。圖2（a） 和 2（b）描述了負(fù)載與充電器及電池組之間的兩種不同F(xiàn)ET連接。
圖 SEQ Figure * ARABIC 2：不同連接的截止FET原理圖：（a）負(fù)載與充電器之間的單一連接，（b）允許同時(shí)充電和放電的二端子連接。
圖2（a）需要最少的電池組連接數(shù)，且電池組工作模式限于充電、放電或休眠。電流方向和具體實(shí)時(shí)檢測(cè)的行為決定了器件的狀態(tài)。例如，ISL94203有一個(gè)CHMON，用于監(jiān)測(cè)截止FET右側(cè)上的電壓。如果充電器已連接且電池組與之隔離，則注入電池組的電流將使電壓上升至充電器的最大供電電壓。這時(shí)，CHMON所在位置的電壓電平升高（tripped），讓BMS器件知道已連接充電器。負(fù)載連接是通過(guò)以下方式來(lái)確定的：向負(fù)載方向注入電流，以確定負(fù)載是否存在。如果引腳所在位置的電壓在電流注入時(shí)沒(méi)有顯著上升，則表明負(fù)載還在。然后FET驅(qū)動(dòng)器的DFET繼續(xù)斷開。圖2（b）的連接方案允許電池組在充電時(shí)可以支持放電工作。
可以設(shè)計(jì)FET驅(qū)動(dòng)器來(lái)連接至電池組的高端或低端。高端連接需要一個(gè)電荷泵驅(qū)動(dòng)器來(lái)激活NMOS FET。使用高端驅(qū)動(dòng)器可使電路其余部分具有穩(wěn)固的接地基準(zhǔn)。低端FET驅(qū)動(dòng)器連接見于一些集成解決方案，用以降低成本，因?yàn)檫@時(shí)無(wú)需電荷泵。低端連接也不需要高電壓器件，它會(huì)占用更大的芯片面積。在低端上截止FET會(huì)使電池組的接地點(diǎn)連接浮接，使之易受注入測(cè)量的噪聲的影響——這會(huì)影響一些IC的性能。
單電池電壓和最大限度延長(zhǎng)電池壽命
單電池通過(guò)串聯(lián)或并聯(lián)方式形成電池組。并聯(lián)會(huì)增加電池組的電流，串聯(lián)會(huì)增加總電壓。單電池的性能遵循下面的分布：當(dāng)時(shí)間等于零時(shí)，電池組中單電池的充電和放電速度相同。由于每個(gè)單電池都是交替進(jìn)行充放電，所以每個(gè)單電池的充電和放電速度存在差異，這會(huì)導(dǎo)致在電池組上的擴(kuò)散性分布。確定電池組是否已充電的簡(jiǎn)單方法是，按照設(shè)定電壓水平監(jiān)視每個(gè)單電池的電壓。第一個(gè)達(dá)到該電壓限值的單電池電壓會(huì)使電池組充電限值脫扣。電池組包含弱于平均值的單電池會(huì)導(dǎo)致最弱單電池首先達(dá)到限值，從而阻礙其余單電池充滿電。如前所述，充電方案不能使電池組每次充電的ON時(shí)間達(dá)到最大化。充電方案會(huì)因?yàn)樾枰喑潆姾头烹娧h(huán)而縮短電池組的壽命。較弱的單電池放電速度較快。這種情況也會(huì)出現(xiàn)在放電周期。較弱的單電池會(huì)首先達(dá)到過(guò)放電門限值關(guān)斷，使得其余單電池仍有剩余電荷。
圖 SEQ Figure * ARABIC 3：此圖顯示了不同類型的單電池平衡：（a）使用旁路單電池平衡FET來(lái)減慢單電池在充電周期的充電速度。（b）在放電周期內(nèi)使用主動(dòng)平衡從強(qiáng)單電池“偷取”電荷并將該電荷給予弱單電池。
改善電池組每次充電的ON時(shí)間有兩種方法。第一種方法是在充電周期內(nèi)減慢對(duì)最弱單電池的充電速度。具體做法是將一個(gè)旁路FET與單電池上的電流限制電阻器相連接，參見圖3（a）。這會(huì)從具有最高電流的單電池分流電流，使得該單電池充電速度下降，相對(duì)地提高其他單電池的充電速度。最終目的是使電池組的蓄電量達(dá)到最大化。這是通過(guò)使所有單電池同時(shí)達(dá)到滿充門限值來(lái)實(shí)現(xiàn)的。
采用電荷移動(dòng)方案可使電池組在放電周期實(shí)現(xiàn)平衡，具體做法是通過(guò)電感耦合或電容性儲(chǔ)存從強(qiáng)的電池取得能量，并將儲(chǔ)存的電能注入最弱的單電池。這會(huì)減慢最弱單電池達(dá)到放電門限值的速度。該過(guò)程稱為主動(dòng)平衡，參見圖3（b）。溫度監(jiān)測(cè)，現(xiàn)在的電池可輸出大電流并保持恒定電壓。這會(huì)導(dǎo)致失控（runaway）情況的出現(xiàn)，引起電池著火。用于制造電池的化學(xué)物質(zhì)是高度不穩(wěn)定的。用某些東西刺穿電池會(huì)使電池著火。溫度測(cè)量不只出于安全考慮，還可用于確定溫度是否適合電池充電或放電。溫度傳感器負(fù)責(zé)監(jiān)測(cè)能量?jī)?chǔ)存系統(tǒng)（ESS）應(yīng)用中的每個(gè)單電池，或者更小、更便攜的應(yīng)用中的一組單電池的溫度。通常使用由內(nèi)部ADC電壓基準(zhǔn)供電的熱敏電阻來(lái)監(jiān)測(cè)每個(gè)電路的溫度。內(nèi)部電壓基準(zhǔn)用于降低溫度讀數(shù)相對(duì)環(huán)境溫度變化的不準(zhǔn)確性。
