打破 BMS IC 的复杂性

—— 本文重点介绍了电池管理系统集成电路中最重要的进步

作者：时间：2025-03-01 来源：Bodo's Power Systems

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电池管理系统 （BMS） IC 是一个相对复杂的系统。与大多数电源管理 IC 不同，它集成了许多相互依赖的功能，这些功能必须准确、无缝、和谐地工作，才能提供功能齐全的 BMS。在任何电池供电的设备中，BMS 都是最关键和最敏感的组件之一，通常是最重要的。

本文引用地址：https://www.eepw.com.cn/article/202503/467465.htm

锂离子电池虽然功能强大，但高度敏感，如果处理不当可能会带来安全风险。保养不当也会显着缩短它们的使用寿命，导致容量减少，甚至使电池无法使用。BMS IC 是负责确保电池组运行状况、报告其状态和保持最佳性能的关键元件 - 无论是独立还是与系统处理器协作。

四大关键功能

在 BMS IC 执行的众多任务中，这四项功能（排名不分先后）是最关键的，因为它们对于可靠高效的电池管理系统都至关重要：

1. 保护和安全

2. 平衡

3. 指控状态确定和报告

4. 健康状况评估

保护、安全和平衡：精确电压测量的作用

保护、安全和平衡在很大程度上取决于精确的电池电压测量。在其众多任务中，精确测量电池电压的能力是 BMS IC 最具挑战性的任务之一。这在平衡电池时变得尤为重要。

锂离子电池对特定电压阈值高度敏感。超过最小或最高限制可能会损坏电池，而过度充电会带来火灾或爆炸的重大风险。准确的电压测量对于维持这些限制至关重要，因为不准确可能需要增加缓冲裕量，从而降低电池的可用容量。这些裕量的大小与测量精度直接相关。

使情况更加复杂的是，电池电压受电池阻抗和电流的影响。这种可变性需要对阈值进行动态调整，这使得精确的阻抗评估成为该过程的重要组成部分。这些挑战还延伸到健康状况（SOH）评估，我们将在后面探讨。

另一方面，平衡的要求更高。它不仅需要精度，还需要评估每个单元中存储的相对能量的能力。对于磷酸铁锂（LFP）等新兴化学成分，平衡尤为重要，因为它们的开路电压曲线平坦，即使是很小的电压差也会转化为严重的能量不平衡。平衡不良会加剧问题，导致电池组容量长期退化。

为了有效平衡细胞，同时测量所有细胞是关键。通过同时测量所有电池，可以消除电流变化 - 这可能会使读数失真。这种方法简化了平衡过程，并避免了对可能引入进一步不准确的复杂滤波器或算法的需求。

同步测量

实现同步测量取决于每个电池单元都有一个专用的 ADC。但是，实现这一点传统上会带来重大挑战：

芯片面积和成本：每节电池增加一个 ADC 会显著增加硅面积，从而推高成本。
严格的公差：确保多个 ADC 的精度一致至关重要，因为性能变化会抵消同步测量的好处。

Novan Semiconductor 获得专利的数字辅助模拟（DAA）技术取得了重大突破：将整个工作范围内的测量误差降低到前所未有的 1 mV 精度，同时最大限度地减小尺寸并保持经济性，使每个单元的专用 ADC 可行，并消除了定时多路复用测量引起的大量误差，无需校准。

充电状态：精度至关重要

准确的 SOC 测定取决于精确的库仑计数，即测量流入和流出电池的能量。如今，许多产品都依赖于“伪库仑计数”，使用 16 位 Σ-Δ ADC 来测量电流，并尝试随时间推移进行积分。然而，即使是这个过程中的小错误也会在几个周期内累积，从而导致大量的不准确。为了缓解这种情况，许多系统依赖于复杂的电池建模和护栏，这增加了成本和复杂性，但无法保证准确性。

通过将行业首创的 22 位 ENOB 分辨率与独特的平均方法相结合，Nova 的 PureAveraging 技术可以准确测量库仑，无论电流形状或频率如何。这种方法几乎考虑了所有的电子运动，实现了非凡的 0.02% 的可重复性——比传统方法高出几个数量级。值得注意的是，这种精度是在不依赖电池建模或护栏的情况下实现的，如图 2 所示。

图 2.SOC 测量，Nova 与其他。

健康状况：重要见解

最后，SOH 可能是所有 BMS 功能中最关键的，因为它提供电池退化和潜在故障的早期警告。准确的 SOH 评估需要测量每个电池的阻抗和阻抗随时间的变化。与平衡一样，同时测量所有电池和电流对于精确分析至关重要。这确保了电压偏移和电流变化之间的准确关联。同样，每个电池的专用 ADC 和先进的技术在这里表现出色，可提供最准确和可靠的测量。