學(xué)習(xí)筆記!電池管理系統(tǒng)這樣設(shè)計

隨著新能源汽車的飛速發(fā)展，BMS的應(yīng)用已經(jīng)變得司空見慣。BMS負責(zé)監(jiān)控和保護電池，防止可能損害電池、車輛、用戶或周圍環(huán)境的情況。BMS還負責(zé)提供準(zhǔn)確的SoC和SoH估算，以確保在電池的整個生命周期內(nèi)盡量降低電池性能以及容量的衰減，保證用戶的駕車體驗。BMS的主要結(jié)構(gòu)通常由三個IC組成模擬前端（AFE）、微控制器（MCU）和電量計（如圖1）。電量計可以是獨立的IC，也可以嵌入在MCU中。MCU是BMS的核心元件，在與系統(tǒng)其余部分連接的同時，也從AFE和電量計獲取信息。圖1BMS架構(gòu)框圖Fuel圖1BMS架構(gòu)框圖FuelMCUAFEGaugeAFE為MCU和電量計提供電芯和模組的電壓、溫度和電流等信息。由于AFE在物理上離電池最近，AFE還可以控制斷路器，如果觸發(fā)任何故障，斷路器會將電池與系統(tǒng)的其余部分?jǐn)嚅_。電量計IC從AFE獲取電芯信息，然后使用復(fù)雜的電池建模和高級算法來估計關(guān)鍵參數(shù)，例如SoC和SoH。電量計功能可以通過MCU來實現(xiàn)，但是使用專用電量計IC有幾個優(yōu)點：?高效設(shè)計：使用專用IC運行復(fù)雜的算法，設(shè)計人員可以使用規(guī)格較低的MCU，從而降低總體成本和電流消耗。?提高安全性：專用電量計可以測量電池組中每個串聯(lián)電池組合的單個SoC和SoH，從而在電池的整個生命周期內(nèi)實現(xiàn)更精確的測量精度和老化檢測。這很重要，因為電池阻抗和容量會隨著時間的推移而發(fā)散，從而影響運行時間和安全性。提高SoC和SoH精度設(shè)計高精度的BMS的主要目標(biāo)是為電池組的SoC和SoH提供精確計算。BMS設(shè)計人員可能認(rèn)為實現(xiàn)這一目標(biāo)的唯一方法是使用精度更高AFE，但這只是整體計算精度的一個因素。最重要的因素是電量計電池模型和電量計算算法，其次是AFE為電池電阻計算提供同步電壓-電流讀數(shù)的能力。電量計通過分析算法實時計算的信息與存儲在其內(nèi)存中的特定電池模型的關(guān)系，將電壓、電流和溫度測量值轉(zhuǎn)換為SoC和SoH輸出。電池模型是通過在不同溫度、容量和負載條件下對電池進行表征來生成的，以數(shù)學(xué)方式定義其開路電壓以及電阻和電容組件。該模型使電量計的算法能夠根據(jù)這些參數(shù)在不同運行條件下的變化情況來計算最佳SoC。因此，如果電量計的電池模型或算法不準(zhǔn)確，則無論AFE進行測量的精度如何，計算結(jié)果都是不準(zhǔn)確的。電壓電流同步讀盡管幾乎所有AFE都為電壓和電流提供不同的ADC，但并非所有AFE都為每個電池提供實際的同步電流和電壓測量。這一稱為電壓-電流同步讀數(shù)的功能使電量計能夠準(zhǔn)確估計電池的等效串聯(lián)電阻（ESR）。由于ESR會隨著不同的操作條件和時間而變化，因此實時估計ESR可以實現(xiàn)更準(zhǔn)確的SoC估計。圖2顯示了同步讀取的與沒有同步讀取的誤差對比。：!U\J\JUI。Q 10000 200CO3.OCXKJ4OT0O SO煩 &M0SOW明網(wǎng)900W」PackSoCErrorwitbouf$即dtotwusFteMing 一~~jPackSoCErrorwithSynduronflueReading PgckSoC ----SoCReEgieng圖2有和沒有同步讀取的SoC誤差比較AFE直接故障控制如前所述，AFE在BMS中扮演的最重要的角色是保護管理。AFE可以直接控制保護電路，在檢測到故障時保護系統(tǒng)和電池。一些系統(tǒng)在MCU中實現(xiàn)故障控制，但這會導(dǎo)致更長的響應(yīng)時間并需要MCU提供更多資源從而增加固件的復(fù)雜性。高級AFE使用其ADC讀數(shù)和用戶配置來檢測任何故障情況°AFE通過打開保護MOSFET對故障做出反應(yīng)，以確保真正的硬件保護。通過這種方式，MCU可以作為二級保護機制，以獲得更高的安全性和魯棒性。高低壓測的電池保護在設(shè)計BMS時，重要的是要考慮電池保護斷路器的放置位置。通常，這些電路使用N溝道MOSFET實現(xiàn)，因為它們與P溝道MOSFET相比具有更低的內(nèi)阻。這些斷路器可以放置在高壓側(cè)（電池的正極端子）或低壓側(cè)（電池的負極端子）。高側(cè)架構(gòu)確保可以確保良好的接地（GND），從而避免出現(xiàn)短路時的潛在安全和通信問題。此外干凈、穩(wěn)定的GND連接有助于減少參考信號波動，這是MCU精確操作的關(guān)鍵。然而，當(dāng)N溝道MOSFET置于電池正極時，驅(qū)動其柵極需要高于電池組的電壓，這使得設(shè)計過程更具挑戰(zhàn)性。因此，集成到AFE中的專用電荷泵通常用于高端架構(gòu)，這會增加總體成本和IC電流消耗。對于低端配置，電荷泵不是必需的，但是低壓側(cè)配置中實現(xiàn)有效通信更加困難，因為當(dāng)保護打開時沒有GND參考。電池平衡以延長電池壽命動力電池包通常由許多串聯(lián)和并聯(lián)的電芯組成。每個電芯在理論上都是相同的，但由于制造公差和化學(xué)差異，每個電芯的行為通常略有不同。隨著時間的推移，這些差異變得更加顯著，因此電池的均衡就是必不可少的了。被動均衡是最常見方法，它需要對充電最多的電池進行放電，直到它們都具有相等的電荷。AFE中的被動單元平衡可以在外部或內(nèi)部完成。外部平衡允許更大的平衡電流，但也會增加BOM（如圖3所示）。

AFEBatteryCellExternalBalancingCurrentInternalBalan