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隨著新能源汽車的飛速發(fā)展，BMS的應(yīng)用已經(jīng)變得司空見慣。BMS負(fù)責(zé)監(jiān)控和保護(hù)電池， 防止可能損害電池、車輛、用戶或周圍環(huán)境的情況。BMS 還負(fù)責(zé)提供準(zhǔn)確的SoC和SoH估算，以確保在電池的整個生命周期內(nèi)盡量降低電池性能以及容量的衰減，保證用戶的駕車體驗。 BMS的主要結(jié)構(gòu)通常由三個 IC 組成：模擬前端 (AFE)、微控制器 (MCU) 和電量計（如圖 1）。電量計可以是獨(dú)立的 IC，也可以嵌入在 MCU 中。MCU 是 BMS 的核心元件，在與系統(tǒng)其余部分連接的同時，也從AFE 和電量計獲取信息。
圖1 BMS 架構(gòu)框圖 AFE 為MCU和電量計提供電芯和模組的電壓、溫度和電流等信息。由于AFE在物理上離電池最近，AFE還可以控制斷路器，如果觸發(fā)任何故障，斷路器會將電池與系統(tǒng)的其余部分?jǐn)嚅_。 電量計 IC 從 AFE 獲取電芯信息，然后使用復(fù)雜的電池建模和高級算法來估計關(guān)鍵參數(shù)，例如 SoC 和 SoH。電量計功能可以通過 MCU來實現(xiàn)，但是使用專用電量計 IC 有幾個優(yōu)點(diǎn)：
提高SoC和SoH精度 設(shè)計高精度的BMS的主要目標(biāo)是為電池組的 SoC和SoH提供精確計算。BMS 設(shè)計人員可能認(rèn)為實現(xiàn)這一目標(biāo)的唯一方法是使用精度更高AFE，但這只是整體計算精度的一個因素。最重要的因素是電量計電池模型和電量計算算法，其次是AFE為電池電阻計算提供同步電壓-電流讀數(shù)的能力。 電量計通過分析算法實時計算的信息與存儲在其內(nèi)存中的特定電池模型的關(guān)系，將電壓、電流和溫度測量值轉(zhuǎn)換為 SoC 和 SoH 輸出。電池模型是通過在不同溫度、容量和負(fù)載條件下對電池進(jìn)行表征來生成的，以數(shù)學(xué)方式定義其開路電壓以及電阻和電容組件。該模型使電量計的算法能夠根據(jù)這些參數(shù)在不同運(yùn)行條件下的變化情況來計算最佳 SoC。因此，如果電量計的電池模型或算法不準(zhǔn)確，則無論 AFE 進(jìn)行測量的精度如何，計算結(jié)果都是不準(zhǔn)確的。 電壓電流同步讀數(shù) 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 都為每個電池提供實際的同步電流和電壓測量。這一稱為電壓-電流同步讀數(shù)的功能使電量計能夠準(zhǔn)確估計電池的等效串聯(lián)電阻 (ESR)。由于 ESR 會隨著不同的操作條件和時間而變化，因此實時估計 ESR 可以實現(xiàn)更準(zhǔn)確的 SoC 估計。 圖 2顯示了同步讀取的與沒有同步讀取的誤差對比。  圖 2有和沒有同步讀取的 SoC 誤差比較 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護(hù)管理。AFE 可以直接控制保護(hù)電路，在檢測到故障時保護(hù)系統(tǒng)和電池。一些系統(tǒng)在 MCU 中實現(xiàn)故障控制，但這會導(dǎo)致更長的響應(yīng)時間并需要 MCU 提供更多資源，從而增加固件的復(fù)雜性。 高級 AFE 使用其 ADC 讀數(shù)和用戶配置來檢測任何故障情況。AFE 通過打開保護(hù) MOSFET 對故障做出反應(yīng)，以確保真正的硬件保護(hù)。通過這種方式，MCU 可以作為二級保護(hù)機(jī)制，以獲得更高的安全性和魯棒性。 高低壓測的電池保護(hù) 在設(shè)計 BMS 時，重要的是要考慮電池保護(hù)斷路器的放置位置。通常，這些電路使用 N 溝道 MOSFET 實現(xiàn)，因為它們與 P 溝道 MOSFET 相比具有更低的內(nèi)阻。這些斷路器可以放置在高壓側(cè)（電池的正極端子）或低壓側(cè)（電池的負(fù)極端子）。 高側(cè)架構(gòu)確?？梢源_保良好的接地 (GND)，從而避免出現(xiàn)短路時的潛在安全和通信問題。此外干凈、穩(wěn)定的 GND 連接有助于減少參考信號波動，這是 MCU精確操作的關(guān)鍵。 然而，當(dāng) N 溝道 MOSFET 置于電池正極時，驅(qū)動其柵極需要高于電池組的電壓，這使得設(shè)計過程更具挑戰(zhàn)性。因此，集成到 AFE 中的專用電荷泵通常用于高端架構(gòu)，這會增加總體成本和 IC 電流消耗。 對于低端配置，電荷泵不是必需的，但是低壓側(cè)配置中實現(xiàn)有效通信更加困難，因為當(dāng)保護(hù)打開時沒有 GND 參考。 電池平衡以延長電池壽命 動力電池包通常由許多串聯(lián)和并聯(lián)的電芯組成。每個電芯在理論上都是相同的，但由于制造公差和化學(xué)差異，每個電芯的行為通常略有不同。隨著時間的推移，這些差異變得更加顯著，因此電池的均衡就是必不可少的了。 被動均衡是最常見方法，它需要對充電最多的電池進(jìn)行放電，直到它們都具有相等的電荷。AFE 中的被動單元平衡可以在外部或內(nèi)部完成。外部平衡允許更大的平衡電流，但也會增加 BOM（如圖3所示）。  圖3 外部電池平衡框圖 另一方面，內(nèi)部平衡不會增加 BOM，但由于散熱，它通常會將平衡電流限制在較低的值（如圖4）。在決定內(nèi)部平衡和外部平衡時，需要考慮外部硬件的成本和目標(biāo)平衡電流。  圖4 內(nèi)部單元平衡框圖 |
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