工程师教你如何设计电池管理系统

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现在的电子设备具有更高的移动性并且比以前更绿色,电池技术进步推动了这一进展,并惠及了包括便捷式电动工具、插电式混合动力车、无线扬声器在内的广泛产品。

近年来,电池效率(输出功率/尺寸比)和重量均出现大幅改善。试想一下汽车电池得多庞大和笨重,其主要用途是启动汽车。

随着技术的最新进展,你可以改用锂离子电池来迅速启动汽车,其重量只有几磅,尺寸也就人手那么大。电池技术的不断变化促使许多新手学习如何设计电池管理系统。

本文提供了有关电池管理系统(BMS)架构的初学者指南,讨论了主要功能块,并解释了每个功能块对BMS系统的重要性。

 

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  图 SEQ Figure * ARABIC 1:电池管理系统(BMS)功能块的简化示意图

电池管理系统架构

电池管理系统(BMS)通常包含若干功能块,如:FET驱动、电流监控、单电池电压监视器、单电池电压均衡、实时时钟、温度监控和状态机。市场上有多种类型的BMS IC。从简单的模拟前端(如提供均衡和监测功能并需要微控制器的ISL94208($1.3824))到自主运行的独立集成解决方案(如ISL94203($2.6201)),功能块的分组存在很大差异。现在我们来看每个功能块的用途和所使用的技术,以及每种技术的优缺点。

关断FET和FET驱动器

FET驱动器功能块负责电池组的连接以及负载与充电器之间的隔离。FET驱动器的行为可根据单电池电压测量值、电流测量值和实时检测电路进行操控。图2(a) 和 2(b)描述了负载与充电器及电池组之间的两种不同FET连接。

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  图 SEQ Figure * ARABIC 2:不同连接的截止FET原理图:

(a)负载与充电器之间的单一连接

(b)允许同时充电和放电的二端子连接

图2(a)需要最少的电池组连接数,且电池组工作模式限于充电、放电或休眠。电流方向和具体实时检测的行为决定了器件的状态。例如,ISL94203有 一个CHMON,用于监测截止FET右侧上的电压。如果充电器已连接且电池组与之隔离,则注入电池组的电流将使电压上升至充电器的最大供电电压。这 时,CHMON所在位置的电压电平升高(tripped),让BMS器件知道已连接充电器。负载连接是通过以下方式来确定的:向负载方向注入电流,以确定 负载是否存在。如果引脚所在位置的电压在电流注入时没有显著上升,则表明负载还在。然后FET驱动器的DFET继续断开。图2(b)的连接方案允许电池组 在充电时可以支持放电工作。

可以设计FET驱动器来连接至电池组的高端或低端。高端连接需要一个电荷泵驱动器来激活NMOS FET。使用高端驱动器可使电路其余部分具有稳固的接地基准。低端FET驱动器连接见于一些集成解决方案,用以降低成本,因为这时无需电荷泵。低端连接也 不需要高电压器件,它会占用更大的芯片面积。在低端上截止FET会使电池组的接地点连接浮接,使之易受注入测量的噪声的影响——这会影响一些IC的性能。

单电池电压和最大限度延长电池寿命

单电池通过串联或并联方式形成电池组。并联会增加电池组的电流,串联会增加总电压。

单电池的性能遵循下面的分布:当时间等于零时,电池组中单电池的充电和放电速度相同。由于每个单电池都是交替进行充放电,所以每个单电池的充电和放电速度存在差异,这会导致在电池组上的扩散性分布。

确定电池组是否已充电的简单方法是,按照设定电压水平监视每个单电池的电压。第一个达到该电压限值的单电池电压会使电池组充电限值脱扣。电池组包含弱于平均值的单电池会导致最弱单电池首先达到限值,从而阻碍其余单电池充满电。

如前所述,充电方案不能使电池组每次充电的ON时间达到最大化。充电方案会因为需要更多充电和放电循环而缩短电池组的寿命。较弱的单电池放电速度较快。这种情况也会出现在放电周期。较弱的单电池会首先达到过放电门限值关断,使得其余单电池仍有剩余电荷。

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  图 SEQ Figure * ARABIC 3:此图显示了不同类型的单电池平衡:

(a)使用旁路单电池平衡FET来减慢单电池在充电周期的充电速度

(b)在放电周期内使用主动平衡从强单电池“偷取”电荷并将该电荷给予弱单电池

改善电池组每次充电的ON时间有两种方法。第一种方法是在充电周期内减慢对最弱单电池的充电速度。具体做法是将一个旁路FET与单电池上的电流限制电阻 器相连接,参见图3(a)。这会从具有最高电流的单电池分流电流,使得该单电池充电速度下降,相对地提高其他单电池的充电速度。最终目的是使电池组的蓄电 量达到最大化。这是通过使所有单电池同时达到满充门限值来实现的。

采用电荷移动方案可使电池组在放电周期实现平衡,具体做法是通过电感 耦合或电容性储存从强的电池取得能量,并将储存的电能注入最弱的单电池。这会减慢最弱单电池达到放电门限值的速度。该过程称为主动平衡,参见图3(b)。 温度监测,现在的电池可输出大电流并保持恒定电压。这会导致失控(runaway)情况的出现,引起电池着火。用于制造电池的化学物质是高度不稳定的。用 某些东西刺穿电池会使电池着火。温度测量不只出于安全考虑,还可用于确定温度是否适合电池充电或放电。温度传感器负责监测能量储存系统(ESS)应用中的 每个单电池,或者更小、更便携的应用中的一组单电池的温度。通常使用由内部ADC电压基准供电的热敏电阻来监测每个电路的温度。内部电压基准用于降低温度 读数相对环境温度变化的不准确性。