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隨著新能源汽車(chē)的飛速發(fā)展，BMS的應(yīng)用已經(jīng)變得司空見(jiàn)慣,。BMS負(fù)責(zé)監(jiān)控和保護(hù)電池,， 防止可能損害電池,、車(chē)輛、用戶(hù)或周?chē)h(huán)境的情況,。BMS 還負(fù)責(zé)提供準(zhǔn)確的SoC和SoH估算,，以確保在電池的整個(gè)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(hù)的駕車(chē)體驗(yàn),。 BMS的主要結(jié)構(gòu)通常由三個(gè) IC 組成：模擬前端 (AFE),、微控制器 (MCU) 和電量計(jì)（如圖 1）。電量計(jì)可以是獨(dú)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(shí),，也從AFE 和電量計(jì)獲取信息,。
圖1 BMS 架構(gòu)框圖 AFE 為MCU和電量計(jì)提供電芯和模組的電壓、溫度和電流等信息,。由于A(yíng)FE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(huì)將電池與系統(tǒng)的其余部分?jǐn)嚅_(kāi),。 電量計(jì) IC 從 AFE 獲取電芯信息，然后使用復(fù)雜的電池建模和高級(jí)算法來(lái)估計(jì)關(guān)鍵參數(shù),，例如 SoC 和 SoH,。電量計(jì)功能可以通過(guò) MCU來(lái)實(shí)現(xiàn)，但是使用專(zhuān)用電量計(jì) IC 有幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)：
提高SoC和SoH精度 設(shè)計(jì)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(jì)算。BMS 設(shè)計(jì)人員可能認(rèn)為實(shí)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(jì)算精度的一個(gè)因素,。最重要的因素是電量計(jì)電池模型和電量計(jì)算算法，其次是AFE為電池電阻計(jì)算提供同步電壓-電流讀數(shù)的能力,。 電量計(jì)通過(guò)分析算法實(shí)時(shí)計(jì)算的信息與存儲(chǔ)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(cè)量值轉(zhuǎn)換為 SoC 和 SoH 輸出。電池模型是通過(guò)在不同溫度,、容量和負(fù)載條件下對(duì)電池進(jìn)行表征來(lái)生成的,，以數(shù)學(xué)方式定義其開(kāi)路電壓以及電阻和電容組件。該模型使電量計(jì)的算法能夠根據(jù)這些參數(shù)在不同運(yùn)行條件下的變化情況來(lái)計(jì)算最佳 SoC,。因此,，如果電量計(jì)的電池模型或算法不準(zhǔn)確，則無(wú)論 AFE 進(jìn)行測(cè)量的精度如何,，計(jì)算結(jié)果都是不準(zhǔn)確的,。 電壓電流同步讀數(shù) 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(gè)電池提供實(shí)際的同步電流和電壓測(cè)量,。這一稱(chēng)為電壓-電流同步讀數(shù)的功能使電量計(jì)能夠準(zhǔn)確估計(jì)電池的等效串聯(lián)電阻 (ESR),。由于 ESR 會(huì)隨著不同的操作條件和時(shí)間而變化，因此實(shí)時(shí)估計(jì) ESR 可以實(shí)現(xiàn)更準(zhǔn)確的 SoC 估計(jì),。 圖 2顯示了同步讀取的與沒(méi)有同步讀取的誤差對(duì)比,。  圖 2有和沒(méi)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(hù)管理,。AFE 可以直接控制保護(hù)電路,，在檢測(cè)到故障時(shí)保護(hù)系統(tǒng)和電池。一些系統(tǒng)在 MCU 中實(shí)現(xiàn)故障控制,，但這會(huì)導(dǎo)致更長(zhǎng)的響應(yīng)時(shí)間并需要 MCU 提供更多資源,，從而增加固件的復(fù)雜性。 高級(jí) AFE 使用其 ADC 讀數(shù)和用戶(hù)配置來(lái)檢測(cè)任何故障情況,。AFE 通過(guò)打開(kāi)保護(hù) MOSFET 對(duì)故障做出反應(yīng),，以確保真正的硬件保護(hù)。通過(guò)這種方式,，MCU 可以作為二級(jí)保護(hù)機(jī)制,，以獲得更高的安全性和魯棒性。 高低壓測(cè)的電池保護(hù) 在設(shè)計(jì) BMS 時(shí),，重要的是要考慮電池保護(hù)斷路器的放置位置,。通常，這些電路使用 N 溝道 MOSFET 實(shí)現(xiàn),，因?yàn)樗鼈兣c 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(fù)極端子）。 高側(cè)架構(gòu)確?？梢源_保良好的接地 (GND),，從而避免出現(xiàn)短路時(shí)的潛在安全和通信問(wèn)題。此外干凈,、穩(wěn)定的 GND 連接有助于減少參考信號(hào)波動(dòng),，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(shí),，驅(qū)動(dòng)其柵極需要高于電池組的電壓，這使得設(shè)計(jì)過(guò)程更具挑戰(zhàn)性,。因此,，集成到 AFE 中的專(zhuān)用電荷泵通常用于高端架構(gòu)，這會(huì)增加總體成本和 IC 電流消耗,。 對(duì)于低端配置,，電荷泵不是必需的，但是低壓側(cè)配置中實(shí)現(xiàn)有效通信更加困難,，因?yàn)楫?dāng)保護(hù)打開(kāi)時(shí)沒(méi)有 GND 參考,。 電池平衡以延長(zhǎng)電池壽命 動(dòng)力電池包通常由許多串聯(lián)和并聯(lián)的電芯組成。每個(gè)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(gè)電芯的行為通常略有不同。隨著時(shí)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(dòng)均衡是最常見(jiàn)方法,，它需要對(duì)充電最多的電池進(jìn)行放電,，直到它們都具有相等的電荷。AFE 中的被動(dòng)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(huì)增加 BOM（如圖3所示）,。  圖3 外部電池平衡框圖 另一方面，內(nèi)部平衡不會(huì)增加 BOM，但由于散熱,，它通常會(huì)將平衡電流限制在較低的值（如圖4）,。在決定內(nèi)部平衡和外部平衡時(shí)，需要考慮外部硬件的成本和目標(biāo)平衡電流,。  圖4 內(nèi)部單元平衡框圖 |
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