了解電池管理系統(tǒng)（BMS）在電源設(shè)計(jì)中所起的作用以及其基本功能需要哪些組件的高級(jí)基礎(chǔ)知識(shí)。

如今，鋰離子電池占據(jù)統(tǒng)治地位，能量密度高達(dá)265 Wh / kg。但是，他們確實(shí)享有聲名狼藉，如果他們承受過(guò)度的壓力，有時(shí)會(huì)突然爆發(fā)并燃燒所有的能量。這就是為什么他們經(jīng)常需要電池管理系統(tǒng)（BMS）來(lái)控制它們的原因。

在本文中，我們將討論BMS概念的基礎(chǔ)知識(shí)，并介紹構(gòu)成典型BMS的一些基礎(chǔ)部分。

基本BMS配置

在圖1中，我們看到了BMS外觀的基本方框，同時(shí)具有防止電池嚴(yán)重故障的功能。

圖1.典型的BMS框圖

此示例BMS可以串聯(lián)處理四個(gè)鋰離子電池。電池監(jiān)控器會(huì)讀取所有電池電壓，并將其中的電壓均勻化：此功能稱為平衡（稍后會(huì)有更多介紹）。這由處理遙測(cè)數(shù)據(jù)以及開(kāi)關(guān)操縱和平衡策略的MCU控制。

實(shí)際上，市場(chǎng)為更簡(jiǎn)單的設(shè)計(jì)提供了不同的解決方案，包括沒(méi)有平衡或MCU的單個(gè)電池，如圖2所示。

圖2.一個(gè)簡(jiǎn)單的電池管理器。

這些較簡(jiǎn)單的系統(tǒng)的缺點(diǎn)在于，設(shè)計(jì)人員必須綁定到給定部件所提供的功能（例如，高端或低端開(kāi)關(guān)）而無(wú)需定制。

當(dāng)使用更多的電池時(shí)，需要一個(gè)平衡系統(tǒng)。存在沒(méi)有MCU仍然可以運(yùn)行的簡(jiǎn)單方案，如圖3所示。

圖3.獨(dú)立于MCU的電池平衡器。

當(dāng)使用更大的電池組或需要串聯(lián)電池或進(jìn)行電量計(jì)計(jì)算的任何產(chǎn)品時(shí)，需要使用MCU。圖4是最集成（因此成本最低）的解決方案。

圖4.商業(yè)BMS。

這是一個(gè)BMS，它使用具有專有固件的MCU來(lái)運(yùn)行所有與電池相關(guān)的功能。

構(gòu)件：電池管理系統(tǒng)組件

回頭看一下圖1，以了解對(duì)BMS至關(guān)重要的基本部分?，F(xiàn)在，讓我們更詳細(xì)地瀏覽圖4的主要部分，以了解BMS框圖中涉及的各個(gè)元素。

保險(xiǎn)絲

當(dāng)發(fā)生劇烈短路時(shí)，需要快速保護(hù)電池單元。在圖5中，您可以看到所謂的自控保護(hù)（SCP）保險(xiǎn)絲，當(dāng)保險(xiǎn)絲出現(xiàn)過(guò)壓時(shí)，該保險(xiǎn)絲會(huì)被過(guò)壓控制IC燒斷，從而將引腳2接地。

圖5.SCP保險(xiǎn)絲和商用BMS的控制

MCU可以傳達(dá)保險(xiǎn)絲燒斷的狀況，這就是為什么MCU電源必須在保險(xiǎn)絲之前。

電流感測(cè)/庫(kù)侖計(jì)數(shù)

此處實(shí)現(xiàn)了低側(cè)電流測(cè)量，允許直接連接到MCU。

圖6.商業(yè)BMS的典型低電流感

保持時(shí)間基準(zhǔn)并隨著時(shí)間對(duì)電流進(jìn)行積分，我們獲得進(jìn)入或離開(kāi)電池的總能量，并實(shí)現(xiàn)一個(gè)庫(kù)侖計(jì)數(shù)器。換句話說(shuō)，我們可以使用以下公式估算充電狀態(tài)（SOC，不要與片上系統(tǒng)混淆）：

熱敏電阻

溫度傳感器（通常為熱敏電阻）既用于溫度監(jiān)控，又用于安全干預(yù)。

在圖7中，您可以看到一個(gè)熱敏電阻，用于控制過(guò)壓控制IC的輸入。這是在沒(méi)有MCU干預(yù)的情況下人為地?zé)龜嗔薙CP（圖5中所示的保險(xiǎn)絲）。

圖7.在出現(xiàn)嚴(yán)重的熱問(wèn)題時(shí)，熱敏電阻可以控制SCP

圖8顯示了另外兩個(gè)用于遙測(cè)的熱敏電阻。

圖8.固件使用的熱敏電阻

主開(kāi)關(guān)

要用作開(kāi)關(guān)，MOSFET需要其漏極-源極電壓為Vds≤Vgs?Vth。線性區(qū)域中的電流為Id=k?（Vgs?Vth）?Vds，使開(kāi)關(guān)的電阻RMOS=1/［k?（Vgs?Vth）］。

重要的是VGsVGs從而確保低電阻，從而降低損耗。

圖9.電池組主開(kāi)關(guān)（NMOS，高端）

NMOS類型也通過(guò)電荷泵用于高端開(kāi)關(guān)，因?yàn)橥ǔＫ鼈兙哂休^低的RMOS。

平衡器

電池單元的容量和阻抗具有給定的公差。因此，在循環(huán)中，電荷差異會(huì)在串聯(lián)的電池之間累積。

如果一組較弱的電池容量較小，則與串聯(lián)的其他電池相比，充電速度會(huì)更快。因此，BMS必須停止其他電池的充電，否則較弱的電池將被過(guò)度充電，如圖10所示。

圖10.低容量電池阻礙了電池組充滿電。

相反，電池可以更快地放電，從而使電池處于低于其最小電壓的風(fēng)險(xiǎn)。在這種情況下，沒(méi)有平衡器的BMS必須提前停止供電，如圖11所示。

圖11.容量較低的電池阻礙了電池組能量的使用。

像圖12中的電路一樣，如圖10所示，該電路將以較高的SOC（充電狀態(tài)）對(duì)其他電池串聯(lián)放電。這是通過(guò)使用一種稱為電荷分流的被動(dòng)平衡方法來(lái)實(shí)現(xiàn)的。

圖12.被動(dòng)平衡策略的示例

由于電流在導(dǎo)通狀態(tài)下流過(guò)晶體管，并通過(guò)R消散，并且由于參考電壓為CELL1（負(fù)極），因此只有這樣的單元才能釋放多余的能量。

本文旨在介紹電池管理系統(tǒng)的基本概念，并介紹其設(shè)計(jì)中使用的基本組件。希望您現(xiàn)在對(duì)電池管理系統(tǒng)要完成的工作以及如何在電源設(shè)計(jì)中使用有更好的了解。
編輯：lyn