電池管理系統(tǒng)簡介

如今，鋰離子電池占據(jù)主導(dǎo)地位，能量密度高達(dá)265瓦時/千克。然而，他們確實有一個名聲，那就是當(dāng)他們經(jīng)歷過多的壓力時，他們偶爾會爆發(fā)并燃燒掉所有的能量。這就是為什么他們經(jīng)常需要電池管理系統(tǒng)（BMS）來控制它們。

在本文中，我們將討論BMS概念的基礎(chǔ)知識，并介紹構(gòu)成典型BMS的幾個基本部分。

在圖1中，我們看到了BMS在提供防止主要電池故障的功能時的外觀的基本模塊。

圖1典型的BMS框圖

這個例子BMS可以處理四個串聯(lián)的鋰離子電池。電池監(jiān)測儀讀取所有電池電壓，并將其中的電壓平均：這個功能稱為平衡（稍后將詳細(xì)介紹）。這是由MCU控制的，它處理遙測數(shù)據(jù)，以及開關(guān)操作和平衡策略。

實際上，市場為更簡單的設(shè)計提供了不同的解決方案，包括沒有平衡或MCU的單電池，如圖2所示。

圖2簡單的電池管理器。圖片使用由德州儀器

這些更簡單的系統(tǒng)的缺點(diǎn)是，設(shè)計人員必須遵守給定部件提供的功能（例如，高壓側(cè)或低壓側(cè)開關(guān)），而無需定制。

當(dāng)使用更多單元時，需要一個平衡系統(tǒng)。簡單的方案仍然可以在沒有MCU的情況下工作，如圖3所示。

圖3獨(dú)立于單片機(jī)的單元平衡器。圖片使用由德州儀器

當(dāng)使用更大的電池組或任何需要電池串聯(lián)或燃油表計算的東西時，需要MCU。圖4中是最集成的（因此成本較低）解決方案。

圖4商業(yè)樓宇管理系統(tǒng)。圖片使用由Renesas

這是一個BMS，它使用MCU和專用固件運(yùn)行所有相關(guān)的電池相關(guān)功能。

回顧圖1，了解對BMS至關(guān)重要的基本部分?，F(xiàn)在，讓我們更詳細(xì)地瀏覽圖4的主要部分，以了解BMS框圖中涉及的各種元素。

當(dāng)發(fā)生劇烈短路時，需要快速保護(hù)電池。在圖5中，您可以看到所謂的自我控制保護(hù)器（SCP）保險絲，它意味著在過電壓的情況下由過電壓控制IC熔斷，驅(qū)動針腳2接地。

MCU可以將熔斷的保險絲的狀態(tài)進(jìn)行通信，這就是為什么MCU的電源必須在保險絲之前。

這里實現(xiàn)了一個低側(cè)電流測量，允許直接連接到MCU。

圖6商業(yè)樓宇管理系統(tǒng)典型的低電流感

保持一個時間基準(zhǔn)和積分電流隨時間的變化，我們得到進(jìn)入或離開電池的總能量，實現(xiàn)庫侖計數(shù)器。換句話說，我們可以使用以下公式來估計電荷狀態(tài)（SOC，不要與片上系統(tǒng)混淆）：

這里的

• SOC（t0）是初始SOC（單位：Ah）

• Crated是額定容量（單位：Ah）

• Ib是電池電流

• Iloss考慮細(xì)胞反應(yīng)損失

• τ是電流樣本的平均周期

溫度傳感器和熱敏電阻通常用于溫度監(jiān)控。

在圖7中，您可以看到一個熱敏電阻，它控制過電壓控制IC的輸入。這會在沒有MCU干預(yù)的情況下人為地引爆SCP（如圖5所示的保險絲）。

圖7熱敏電阻可以控制SCP，以防出現(xiàn)嚴(yán)重的熱問題

圖8顯示了用于遙測的兩個附加熱敏電阻。

圖8固件使用的熱敏電阻

作為開關(guān)，MOSFET需要其漏源極電壓為Vds≤Vgs?VthVds≤Vgs?Vth。線性區(qū)域中的電流為Id=k?（Vgs?Vth）?VdsId=k?（Vgs?Vth）?Vds，使得開關(guān)電阻RMOS=1/[k?（Vgs?Vth）]RMOS=1/[k?（Vgs?Vth）]。

因此，驅(qū)動VgsVgs以確保低電阻和低損耗是很重要的。

圖9電池組主開關(guān)（NMOS，高壓側(cè)）

NMOS類型也通過電荷泵用于高壓側(cè)開關(guān)，因為通常它們的RMOSRMOS更低。

電池的容量和阻抗都有公差。所以，在循環(huán)過程中，一個電荷差可以在串聯(lián)的電池之間積累。

如果一組較弱的電池容量較小，則與串聯(lián)的其他電池相比，充電速度會更快。因此，BMS必須阻止其他電池充電，否則較弱的電池將被過度充電，如圖10所示。

圖10低容量電池妨礙電池組充滿電。圖片使用由模擬設(shè)備

相反，電池放電速度更快，有可能使電池低于其最低電壓。在這個例子中，沒有平衡器的BMS必須更早地停止供電，如圖11所示。

圖11低容量電池阻礙了全電池組能量的使用。圖片使用由模擬設(shè)備

如圖12所示的電路將以圖10所示的更高SOC（充電狀態(tài)）的電池在串聯(lián)的其他電池水平上放電。這是通過使用一種稱為電荷分流的被動平衡方法來實現(xiàn)的。

圖12被動平衡策略示例

由于電流在導(dǎo)通狀態(tài)下流過晶體管，并通過R消散，而且由于基準(zhǔn)電壓是CELL1（負(fù)極），只有這樣的電池才會釋放其多余的能量。

本文旨在介紹電池管理系統(tǒng)的基本概念，并介紹其設(shè)計中使用的基本組件。希望您現(xiàn)在能夠更好地理解電池管理系統(tǒng)的意義以及如何在電源設(shè)計中使用它。