如何設計電池管理系統？
作者 : Tomas Hudson和Miguel Angel Sanchez
電池管理系統(BMS)可以監控電池和可能的故障情況，防止電池出現性能下降、容量衰減甚至可能損害使用者或周圍環境的情況。BMS還負責提供準確的充電狀態(SoC)和健康狀態(SoH)估計，確保在電池的整個生命週期內提供資訊豐富且安全的使用者體驗...
過去十年來，電池供電的應用已變得司空見慣，此類裝置需要一定程度的保護以確保安全使用。我們可以用電池管理系統(BMS)監控電池和可能的故障情況，防止電池出現性能下降、容量衰減甚至可能損害使用者或周圍環境的情況。BMS還負責提供準確的充電狀態(SoC)和健康狀態(SoH)估計，以確保在電池的整個生命週期提供資訊豐富且安全的使用者體驗。設計合適的BMS不僅從安全的角度來看至關重要，而且對於客戶滿意度也很重要。
用於低壓或中壓的完整BMS的主要結構，通常由三個IC組成：類比前端(AFE)、微控制器(MCU)和電量計(見圖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，在與系統其餘部份連接的同時從AFE和電量計獲取資訊。
圖1：BMS架構方塊圖。
AFE為MCU和電量計提供來自電池的電壓、溫度和電流讀數。由於AFE在實體上離電池最近，因此還建議將AFE用於控制斷路器——如果觸發任何故障，就將電池與系統的其餘部份斷開。
電量計IC從AFE獲取讀數，然後使用複雜的電池建模和先進演算法來估計關鍵參數，例如SoC和SoH。與AFE類似，電量計的一些任務可以包含在MCU程式碼中，但是，使用專用電量計IC有幾個優點：
高效設計：使用專用IC運行複雜的電量計算法，設計人員就可以使用規格較低的MCU，從而降低總體成本和電流消耗。
提高洞察力和安全性：專用電量計可測量電池組中每個串聯電池組合的單個SoC和SoH，從而實現更精確的測量精度和電池壽命期間的老化檢測。這很重要，因為電池阻抗和容量會隨著時間的推移而發散，從而影響執行時間和安全性。
快速上市：電量計IC已針對各種情況和測試用例進行全面測試。這減少了測試複雜演算法的時間和成本，同時加快了上市時間。
提高SoC和SoH精度
設計精確BMS的主要目標是為電池組的SoC (剩餘執行時間/範圍)和SoH (壽命和狀況)提供精確計算。BMS設計人員可能認為實現這一目標的唯一方法是使用非常昂貴但具有精確電池電壓測量容差的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法，其次是AFE為電池電阻計算提供同步電壓電流讀數的能力。
電量計使用其內部演算法運行複雜的計算，透過分析這些值與儲存在其記憶體中的特定電池模型關係，將電壓、電流和溫度測量值轉換為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徵，而以數學方式定義其開路電壓以及電阻和電容元件來產生的。該模型使電量計的演算法能夠根據這些參數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演算法不準確，則無論AFE進行測量的精度如何，計算結果都不準確。換言之，實現高精度電量計對BMS的SoC精度影響最大。
電壓電流同步讀數
儘管幾乎所有AFE都能為電壓和電流提供不同的ADC，但並非所有AFE都能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的功能，使電量計能夠準確估算電池的等效串聯電阻(ESR)。由於ESR會隨著不同的操作條件和時間而變化，因此即時估計ESR可以實現更準確的SoC估計。
圖2顯示同步讀取的SoC誤差為什麼會顯著低於沒有同步讀取的誤差，尤其是在幾個放電週期之後。這些結果是使用整合了ESR檢測和熱建模的MPF42791而提取的。
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和電池。一些系統能在MCU中實現故障控制，但這會導致更長的回應時間並需要MCU提供更多資源，從而增加了韌體的複雜性。
先進AFE使用其ADC讀數和使用者配置來檢測任何故障情況。AFE透過打開保護MOSFET，確保真正的硬體保護，來對故障做出反應。AFE也經過了全面測試，這使得保證強大的安全系統變得簡單。透過這種方式，MCU可以用作二級保護機制，從而獲得更高度的安全性和穩健性。
MP279x系列整合了兩種形式的保護控制。這就使設計人員能夠選擇是透過AFE還是MCU控制故障響應和/或保護。
高側與低側電池保護
在設計BMS時，必須要考慮電池保護斷路器的放置位置。通常，這些電路使用N通道MOSFET實現，因為其與P通道MOSFET相較具有更低的內阻。這些斷路器可以放置在高側(電池的正極端子)或低側(電池的負極端子)。
高側架構可確保始終以良好的接地(GND)為參考，從而避免出現短路時的潛在安全問題和通訊問題。此外，乾淨、穩定的GND連接有助於減少參考訊號波動，這是MCU精確操作的關鍵。
然而，當將N通道MOSFET置於電池正極時，驅動其閘極的電壓需要高於電池組電壓，這使得設計過程更具挑戰性。因此，高側架構通常要採用整合有專用電荷泵的AFE，這就會增加總體成本和IC電流消耗。
對於低側配置，電荷泵不是必需的，因為保護MOSFET位於電池的負極。然而，在低側配置中實現有效通訊更加困難，因為當保護打開時沒有GND參考。
MP279x系列採用高側架構，可提供強大的保護，同時可最大限度地減少BOM。此外，高精度電荷泵控制支持N通道MOSFET軟開啟功能，無需任何額外的預充電電路，這進一步最大限度地降低了BOM尺寸和成本。軟開啟是透過緩慢增加保護FET的閘極電壓實現的，這樣就可以使小電流流過保護，從而對負載進行預充電(見圖3)。可以配置幾個參數來確保安全轉換，例如最大允許電流，或直到保護FET關閉而不觸發故障的時間。
圖3：MP279x系列的軟啟動方案。
利用電池均衡延長電池壽命
為大型系統(例如電動自行車或儲能)供電的電池組，由許多串聯和並聯的電池組成。每個電池在理論上都是相同的，但由於製造公差和化學差異，每個電池的行為通常略有不同。隨著時間的推移，由於不同的操作條件和老化會限制其可用容量或潛在地損壞電池，進而嚴重影響電池性能，這些差異將變得更加顯著。為避免這些危險情況，必須通過稱為電池均衡的過程定期串聯串聯電池電壓。
被動均衡是使電池電壓均衡最常見的方法，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中的被動電池均衡可以在外部或內部完成。外部均衡可實現更大的均衡電流，但也會增加BOM(見圖4)。
圖4：外部電池均衡方塊圖。
另一方面，內部均衡不會增加BOM，但由於散熱，它通常會將均衡電流限制在較低的值(見圖5)。在決定內部均衡和外部均衡時，需要考慮外部硬體的成本和目標均衡電流。
圖5：內部電池均衡方塊圖。
電池均衡的另一個重要方面是物理連接。例如，MP279x AFE系列使用相同的接腳進行電壓檢測和均衡。這顯著減小了IC尺寸，但卻意味著不能同時均衡連續的電池，從而增加了執行電池均衡所需的時間。使用專用均衡接腳可減少均衡時間，但會顯著增加IC尺寸和總體成本。
AFE安全功能
如本文通篇所述，利用AFE控制系統保護和故障回應，在BMS設計中極為重要。在打開或關閉保護FET之前，AFE必須能夠檢測到這些不良情況。
電池和電池組級故障，例如過壓(OV)、欠壓(UV)、過流(OC)、短路(SC)、過溫(OT)和欠溫(UT)故障，都應該受到監控。但是，AFE還可以為某些應用提供其他有益的保護和功能。例如，自檢可以使IC檢測其內部ADC是否出現故障，從而防止系統出現錯誤測量。當主MCU沒有回應時，增強的看門狗計時器功能還可確保穩健性和安全性。
MP279x系列以高度可配置性提供上述故障保護，讓使用者能夠為每個故障定義不同的閾值、去毛刺時間和滯後。這些元件還依靠兩個不同的比較器來處理SC和OC故障條件，從而最大限度地縮短響應時間。它們還提供了故障自動恢復配置，這意味著它們可以自動從大多數故障中恢復，而無需MCU採取任何措施。
總結
我們可使用BMS監控電池組以保護電池和系統的其餘部分。不合格的BMS不僅會降低系統的安全性，而且還會提供不準確的電池SoC管理。這些不準確對產品的最終品質有非常重要的影響，因為它們可能導致潛在的危險故障或對使用者體驗產生負面影響的故障。為了緩解這些問題，本文解釋了設計人員在設計BMS時應該期待和尋找什麼。
本文作者：
Tomas Hudson，MPS應用工程師 Miguel Angel Sanchez，MPS電池應用工程師
編譯：Franklin Zhao
(參考原文：How to design a battery management system，by Majeed Ahmad)
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