大功率锂电池组BMS(电池管理系统)保护板电路介绍

电池管理系统(BMS)是电力巡检机器人、电动汽车、大型无人遥控车等系统的中一个越来越重要的关键部分,我国在这方面的研究正在逐步加强。 现有的设计方法是采用分立器件，电路复杂、占用PCB面积大、可靠性低，切不易扩展。 因此急需一种通用的设计方法，以降低电路复杂度，同时适合于大电流、高电压、电池组数可变的环境中。

传统的BMS板设计的时候通常采用运放、MOS管等分立原件构成，原理复杂，成本高，不易调试、故障率高等缺点。

为了避免现有技术的不足之处，本文介绍一种大电流BMS保护板电路，该保护板适用于机器人、无人大型遥控车所使用的高压、大电流使用的锂电池组。 在此领域使用的这种锂电池，通常都需要进行大电流的充放电，而且对可靠性要求非常高。

一种大电流BMS保护板电路，其特征在于包括nrF51822芯片、PCB线条设计蓝牙天线、电压及平衡电路LTC6803芯片、隔离芯片ADUM1201、测量输出电流的ACS758(或***CH704)、光隔离芯片SI8441和232接口电路及各芯片偏置电路; nrF51822芯片通过光隔离芯片SI8441与电压及平衡电路LTC6803芯片连接，采用SPI总线通讯，电压及平衡电路LTC6803芯片将采集的各个电芯的电压输出至nrF51822芯片，nrF51822芯片根据平衡需求通过电压及平衡电路LTC6803芯片控制各个电芯的充放电; nrF51822芯片与PCB线条设计蓝牙天线连接，通过蓝牙功能与手机连接; nrF51822芯片通过232通讯线并通过232隔离芯片ADUM1201与上位机相连接，上报电芯的各种信息; nrF51822芯片的第五脚连接电池组的充放电电路，输出PWM信号控制充电器的关断、开通及脉冲充电三个状态; ACS758(CH704)芯片测量输出电流，转换成电压信号输入nrF51822芯片的A/D引脚。

图1 与使用环境的交联关系图

图2 电路原理图

具体实施方式：

主芯片采用基于NORDIC蓝牙低功耗的2 .4Ghz的nrF51822芯片，主芯片外扩多个外围芯片实现多种功能，主芯片外部只需要一个PCB线条设计蓝牙天线就可以实现蓝牙传输功能，芯片上引出1路232接口电路供上层系统传输电池信息使用。

LTC6803及其附属电路实现电压采集及平衡功能，LTC6803芯片负责采集12路电芯的电压及平衡电路，LTC6803芯片采集电压的精度很高，每个电芯实测误差不超过3mV，因此计算电芯总电压的时候可以直接把每个电芯电压加起来，当需要电压平衡时，旁路放电通道也由LTC6803直接控制，旁路放电通道分为内部和外部两部分， 导通的时候同时导通，导通电流约为0 .1至0 .3A。

nrF51822核心芯片首先和LTC6803芯片通讯，采集各个电芯的电压，计算出总电压，当单个电芯电压超过设定值，nrF51822芯片控制LTC6803芯片对超限的电芯进行放电操作，降低该电芯的电压值，当该电芯电压正常后，nrF51822芯片关闭该电芯的放电通道。 当总电压超过总电压高限设定值，nrF51822芯片关闭充电继电器; 同理，当单个电芯电压低于设定值或者总电压低于总电压设定值，nrF51822芯片关闭放电继电器以保护电芯，防止过放的危险。

采用ACS758(CH704)芯片进行隔离的测量输出电流。 ACS758芯片将电流信号转换成电压信号输入nrF51822芯片的A/D引脚。 ACS758的4 ,5串入电池的输出，4脚接+，5脚接-。

对超限电芯进行放电处理是整个BMS板的核心动作，当充电快充满时，由于需要放电的电芯数目比较多，如果一直放电操作，这个时候LTC6803及相关电路会比较热，为了降低温度，我采取了分时平衡算法，利用电芯电压不能突变，即某个时间段平衡电路开始工作，另个时间段关闭平衡电路，这样既使电芯电压平衡了，而且平衡电路部分温度升高的量很少。

文章中提到的CH704芯片是意瑞半导体(上海)有限公司推出隔离集成式电流传感器芯片，该芯片可以替代Allegro的大电流霍尔电流传感器ACS756/ACS758/ACS770/ACS772，其中CH704A是满足汽车级标准的产品，填补了国内的空白。

CH704 是专为大电流检测应用开发的隔离集成式电流传感芯片。 CH704 内置 0.1mΩ 的初级导体电阻，有效降低芯片发热支持大电流检测：±50A, ±100A, ±150A, ±200A。 其内部集成独特的温度补偿电路以实现芯片在 -40 到150­°C全温范围内良好的一致性。 出厂前芯片已做好灵敏度和静态(零电流)输出电压的校准，在全温度范围内提供 ±2% 的典型准确性。

产品信息如下：

• 隔离电压：4800VRMS

• AEC-Q100 汽车认证 (CH704A)

• 电源：4.5-5.5V

• 输出电压与电流成正比：+/-50A,+/-100A,+/-150A,+/-200A

• 带宽：120kHz

• 响应时间：2us

• 宽温度范围：-40­°C 至 150­°C

• 使用 EEPROM 进行高分辨率偏移和灵敏度调整

• 导线电阻：0.1 mΩ

• 集成数字温度补偿电路

• 几乎为零的磁滞

• 电源电压的比例输出

• 抗外部磁场

审核编辑：汤梓红