想了解电池管理系统需要知道哪些高级基础知识？

了解电池管理系统（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，锂离子电池占据统治地位，能量密度高达265 Wh / kg。但是，他们确实享有声名狼藉，如果他们承受过度的压力，有时会突然爆发并燃烧所有的能量。这就是为什么他们经常需要电池管理系统（BMS）来控制它们的原因。

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的一些基础部分。

基本BMS配置

在图1中，我们看到了BMS外观的基本方框，同时具有防止电池严重故障的功能。

图1.典型的BMS框图

此示例BMS可以串联处理四个锂离子电池。电池监控器会读取所有电池电压，并将其中的电压均匀化：此功能称为平衡（稍后会有更多介绍）。这由处理遥测数据以及开关操纵和平衡策略的MCU控制。

实际上，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的单个电池，如图2所示。

图2.一个简单的电池管理器。

这些较简单的系统的缺点在于，设计人员必须绑定到给定部件所提供的功能（例如，高端或低端开关）而无需定制。

当使用更多的电池时，需要一个平衡系统。存在没有MCU仍然可以运行的简单方案，如图3所示。

图3.独立于MCU的电池平衡器。

当使用更大的电池组或需要串联电池或进行电量计计算的任何产品时，需要使用MCU。图4是最集成（因此成本最低）的解决方案。

图4.商业BMS。

这是一个BMS，它使用具有专有固件的MCU来运行所有与电池相关的功能。

构件：电池管理系统组件

回头看一下图1，以了解对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框图中涉及的各个元素。

保险丝

当发生剧烈短路时，需要快速保护电池单元。在图5中，您可以看到所谓的自控保护（SCP）保险丝，当保险丝出现过压时，该保险丝会被过压控制IC烧断，从而将引脚2接地。

图5.SCP保险丝和商用BMS的控制

MCU可以传达保险丝烧断的状况，这就是为什么MCU电源必须在保险丝之前。

电流感测/库仑计数

此处实现了低侧电流测量，允许直接连接到MCU。

图6.商业BMS的典型低电流感

保持时间基准并随着时间对电流进行积分，我们获得进入或离开电池的总能量，并实现一个库仑计数器。换句话说，我们可以使用以下公式估算充电状态（SOC，不要与片上系统混淆）：

热敏电阻

温度传感器（通常为热敏电阻）既用于温度监控，又用于安全干预。

在图7中，您可以看到一个热敏电阻，用于控制过压控制IC的输入。这是在没有MCU干预的情况下人为地烧断了SCP（图5中所示的保险丝）。

图7.在出现严重的热问题时，热敏电阻可以控制SCP

图8显示了另外两个用于遥测的热敏电阻。

图8.固件使用的热敏电阻

主开关

要用作开关，MOSFET需要其漏极-源极电压为Vds≤Vgs−Vth。线性区域中的电流为Id=k⋅（Vgs−Vth）⋅Vds，使开关的电阻RMOS=1/［k⋅（Vgs−Vth）］。

重要的是VGsVGs从而确保低电阻，从而降低损耗。

图9.电池组主开关（NMOS，高端）

NMOS类型也通过电荷泵用于高端开关，因为通常它们具有较低的RMOS。

平衡器

电池单元的容量和阻抗具有给定的公差。因此，在循环中，电荷差异会在串联的电池之间累积。

如果一组较弱的电池容量较小，则与串联的其他电池相比，充电速度会更快。因此，BMS必须停止其他电池的充电，否则较弱的电池将被过度充电，如图10所示。

图10.低容量电池阻碍了电池组充满电。

相反，电池可以更快地放电，从而使电池处于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.容量较低的电池阻碍了电池组能量的使用。

像图12中的电路一样，如图10所示，该电路将以较高的SOC（充电状态）对其他电池串联放电。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.被动平衡策略的示例

由于电流在导通状态下流过晶体管，并通过R消散，并且由于参考电压为CELL1（负极），因此只有这样的单元才能释放多余的能量。

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要完成的工作以及如何在电源设计中使用有更好的了解。
编辑：lyn