电池管理系统简介

如今，锂离子电池占据主导地位，能量密度高达265瓦时/千克。然而，他们确实有一个名声，那就是当他们经历过多的压力时，他们偶尔会爆发并燃烧掉所有的能量。这就是为什么他们经常需要电池管理系统（BMS）来控制它们。

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的几个基本部分。

在图1中，我们看到了BMS在提供防止主要电池故障的功能时的外观的基本模块。

图1典型的BMS框图

这个例子BMS可以处理四个串联的锂离子电池。电池监测仪读取所有电池电压，并将其中的电压平均：这个功能称为平衡（稍后将详细介绍）。这是由MCU控制的，它处理遥测数据，以及开关操作和平衡策略。

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的单电池，如图2所示。

图2简单的电池管理器。图片使用由德州仪器

这些更简单的系统的缺点是，设计人员必须遵守给定部件提供的功能（例如，高压侧或低压侧开关），而无需定制。

当使用更多单元时，需要一个平衡系统。简单的方案仍然可以在没有MCU的情况下工作，如图3所示。

图3独立于单片机的单元平衡器。图片使用由德州仪器

当使用更大的电池组或任何需要电池串联或燃油表计算的东西时，需要MCU。图4中是最集成的（因此成本较低）解决方案。

图4商业楼宇管理系统。图片使用由Renesas

这是一个BMS，它使用MCU和专用固件运行所有相关的电池相关功能。

回顾图1，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框图中涉及的各种元素。

当发生剧烈短路时，需要快速保护电池。在图5中，您可以看到所谓的自我控制保护器（SCP）保险丝，它意味着在过电压的情况下由过电压控制IC熔断，驱动针脚2接地。

MCU可以将熔断的保险丝的状态进行通信，这就是为什么MCU的电源必须在保险丝之前。

这里实现了一个低侧电流测量，允许直接连接到MCU。

图6商业楼宇管理系统典型的低电流感

保持一个时间基准和积分电流随时间的变化，我们得到进入或离开电池的总能量，实现库仑计数器。换句话说，我们可以使用以下公式来估计电荷状态（SOC，不要与片上系统混淆）：

这里的

• SOC（t0）是初始SOC（单位：Ah）

• Crated是额定容量（单位：Ah）

• Ib是电池电流

• Iloss考虑细胞反应损失

• τ是电流样本的平均周期

温度传感器和热敏电阻通常用于温度监控。

在图7中，您可以看到一个热敏电阻，它控制过电压控制IC的输入。这会在没有MCU干预的情况下人为地引爆SCP（如图5所示的保险丝）。

图7热敏电阻可以控制SCP，以防出现严重的热问题

图8显示了用于遥测的两个附加热敏电阻。

图8固件使用的热敏电阻

作为开关，MOSFET需要其漏源极电压为Vds≤Vgs−VthVds≤Vgs−Vth。线性区域中的电流为Id=k⋅（Vgs−Vth）⋅VdsId=k⋅（Vgs−Vth）⋅Vds，使得开关电阻RMOS=1/[k⋅（Vgs−Vth）]RMOS=1/[k⋅（Vgs−Vth）]。

因此，驱动VgsVgs以确保低电阻和低损耗是很重要的。

图9电池组主开关（NMOS，高压侧）

NMOS类型也通过电荷泵用于高压侧开关，因为通常它们的RMOSRMOS更低。

电池的容量和阻抗都有公差。所以，在循环过程中，一个电荷差可以在串联的电池之间积累。

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必须阻止其他电池充电，否则较弱的电池将被过度充电，如图10所示。

图10低容量电池妨碍电池组充满电。图片使用由模拟设备

相反，电池放电速度更快，有可能使电池低于其最低电压。在这个例子中，没有平衡器的BMS必须更早地停止供电，如图11所示。

图11低容量电池阻碍了全电池组能量的使用。图片使用由模拟设备

如图12所示的电路将以图10所示的更高SOC（充电状态）的电池在串联的其他电池水平上放电。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被动平衡策略示例

由于电流在导通状态下流过晶体管，并通过R消散，而且由于基准电压是CELL1（负极），只有这样的电池才会释放其多余的能量。

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。希望您现在能够更好地理解电池管理系统的意义以及如何在电源设计中使用它。