低壓或中壓 BMS 的完整結構通常由三個 IC 組成：模擬前端 (AFE)、微控制器 (MCU) 和電量計。電量計可以是獨立 IC，也可以嵌入 MCU 中。MCU 是 BMS 的核心元件，它從 AFE 和電量計獲取信息，同時與系統的其余部分交互。

　　AFE 為 MCU 和電量計提供電池的電壓、溫度和電流讀數。由于 AFE 在物理上最靠近電池，因此建議 AFE 還控制斷路器，如果觸發任何故障，斷路器會將電池與系統其余部分斷開。

　　電量計 IC 從 AFE 獲取讀數，然后使用復雜的單元建模和高級算法來估算關鍵參數，例如 SoC 和 SoH。與 AFE 類似，電量計的一些任務可以包含在 MCU 代碼中;但是，使用專用電量計 IC 具有以下幾個優點：

　　· 高效設計：使用專用IC運行復雜的電量計算法，允許設計人員使用規格較低的MCU，從而降低總體成本和電流消耗。

　　· 提高洞察力和安全性：專用電量計可以測量電池組中每個串聯電池組合的單獨 SoC 和 SoH，從而實現更精確的測量精度和電池使用壽命內的老化檢測。這一點很重要，因為電池阻抗和容量會隨著時間的推移而發生變化，從而影響運行時間和安全性。

　　· 快速上市：電量計 IC 經過了各種情況和測試案例的全面測試。這減少了測試復雜算法的時間和成本，同時加快了上市時間。

　　提高 SoC 和 SoH 準確性

　　設計精確的 BMS 的主要目標是為電池組的 SoC(剩余運行時間/續航里程)和 SoH(壽命和狀態)提供精確的計算。BMS 設計人員可能認為實現此目標的唯一方法是使用具有精確電池電壓測量公差的非常昂貴的 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。

　　電量計使用其內部算法來運行復雜的計算，通過分析這些值與存儲在其內存中的特定電池模型之間的關系，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、容量和負載條件下表征電池來生成的，以數學方式定義其開路電壓以及電阻和電容元件。該模型使電量計的算法能夠根據這些參數在不同工作條件下的變化來計算最佳 SoC。因此，如果電量計的電池模型或算法不準確，則無論 AFE 的測量有多精確，最終的計算也不準確。換句話說，采用高精度電量計對 BMS 的 SoC 精度影響最大。

　　電壓電流同步讀取

　　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。此功能稱為電壓-電流同步讀數，使電量計能夠準確估算電池的等效串聯電阻 (ESR)。由于 ESR 在不同的操作條件下和隨時間而變化，因此實時估算 ESR 可以更準確地估算 SoC。

　　同步讀取時的 SoC 誤差明顯低于非同步讀取時的誤差，尤其是在幾個放電周期之后。這些結果是使用集成了 ESR 檢測和熱建模的MPF42791得出的。

　　AFE 直接故障控制

　　如前所述，AFE 在 BMS 中扮演的最重要角色是保護管理。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。一些系統在 MCU 中實現故障控制，但這會導致更長的響應時間并需要 MCU 提供更多資源，從而增加固件復雜性。

　　高級 AFE 使用其 ADC 讀數和用戶配置來檢測任何故障情況。AFE 通過打開保護 MOSFET 來對故障做出反應，以確保真正的硬件保護。AFE 也經過全面測試，這使得保證系統安全可靠變得簡單。這樣，MCU 可以用作二級保護機制，以實現更高級別的安全性和穩健性。

　　MP279x 系列集成了兩種保護控制形式。這使得設計人員可以選擇通過 AFE 還是 MCU 來控制故障響應和/或保護。

　　高端與低端電池保護

　　在設計 BMS 時，重要的是要考慮電池保護斷路器的放置位置。通常，這些電路采用 N 通道 MOSFET 實現，因為它們與 P 通道 MOSFET 相比具有較低的內部電阻。這些斷路器可以放置在高壓側(電池的正極)或低壓側(電池的負極)。

　　高端架構可確保接地 (GND) 始終有良好的參考，從而避免短路時出現潛在的安全和通信問題。此外，干凈、穩定的 GND 連接有助于減少參考信號波動，這是 MCU 精確運行的關鍵。

　　然而，當 N 溝道 MOSFET 位于電池正極時，驅動其柵極需要高于電池組電壓的電壓，這使得設計過程更具挑戰性。因此，集成在 AFE 中的專用電荷泵通常用于高端架構，這會增加整體成本和 IC 電流消耗。

　　對于低端配置，由于保護 MOSFET 位于電池負極，因此無需使用電荷泵。然而，在低端配置中實現有效通信更加困難，因為當保護打開時沒有 GND 參考。

　　MP279x 系列采用高側架構，可提供強大的保護功能，同時最大限度地減少 BOM。此外，高精度電荷泵控制可實現 N 通道 MOSFET 軟開啟功能，無需任何額外的預充電電路，從而進一步減少 BOM 尺寸和成本。軟開啟是通過緩慢增加保護 FET 的柵極電壓來實現的，允許小電流流過保護裝置以對負載進行預充電。可以配置多個參數以確保安全轉換，例如允許的最大電流或保護 FET 關閉而不觸發故障的時間。

　　通過電池平衡延長電池壽命

　　為大型系統(例如電動自行車或儲能系統)供電的電池組由許多串聯和并聯的電池組成。每個電池在理論上都是相同的，但由于制造公差和化學差異，每個電池的行為通常略有不同。隨著時間的推移，由于不同的操作條件和老化，這些差異變得更加明顯，通過限制其可用容量或可能損壞電池，嚴重影響電池性能。為了避免這些危險情況，重要的是通過稱為電池平衡的過程定期均衡串聯電池電壓。

　　被動平衡是均衡電池電壓的最常見方法，它需要對充電最多的電池進行放電，直到所有電池都具有相等的電量。AFE 中的被動電池平衡可以通過外部或內部實現。外部平衡允許更大的平衡電流，但也會增加 BOM。

　　另一方面，內部平衡不會增加 BOM，但由于散熱原因，它通常會將平衡電流限制在較低值。在內部和外部平衡之間做出選擇時，請考慮外部硬件的成本和目標平衡電流。

　　電池平衡的另一個重要方面是物理連接。例如，MP279x AFE 系列使用相同的引腳進行電壓感測和平衡。這顯著減少了 IC 尺寸，但意味著連續的電池無法同時平衡，從而增加了執行電池平衡所需的時間。使用專用的平衡引腳可以縮短平衡時間，但會顯著增加 IC 尺寸和總體成本。

　　AFE 安全功能

　　正如本文所述，控制系統保護和故障響應的 AFE 在 BMS 設計中極其重要。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，自檢允許 IC 檢測其內部 ADC 是否發生故障，從而防止系統測量錯誤。增強的看門狗定時器功能還可在主 MCU 無響應時確保穩健性和安全性。

　　MP279x 系列提供上述故障保護，具有高度可配置性，使用戶能夠為每個故障定義不同的閾值、去尖峰時間和滯后。這些設備還依靠兩個不同的比較器來處理 SC 和 OC 故障情況，以最大限度地縮短響應時間。它們還提供故障自動恢復配置，這意味著它們可以自動從大多數故障中恢復，而無需 MCU 采取任何行動。

　　結論

　　BMS監視電池組，以保護電池和系統的其他部分。不合格的BMS不僅降低了系統的安全性，而且還提供了不準確的電池SoC管理。這些不準確度對產品的最終質量有非常顯著的影響，因為它們可能導致潛在的危險故障，或對用戶體驗產生負面影響的故障。為了減輕這些問題，本文解釋了設計人員在設計BMS時應該期望和尋找什么。了解更多關于電池管理系統是如何工作的，以及如何用MPS的BMS評估工具包來設計它們。