了解電池管理系統（BMS）在電源設計中所起的作用以及其基本功能需要哪些組件的高級基礎知識。

如今，鋰離子電池占據統治地位，能量密度高達265 Wh / kg。但是，他們確實享有聲名狼藉，如果他們承受過度的壓力，有時會突然爆發并燃燒所有的能量。這就是為什么他們經常需要電池管理系統（BMS）來控制它們的原因。

在本文中，我們將討論BMS概念的基礎知識，并介紹構成典型BMS的一些基礎部分。

基本BMS配置

在圖1中，我們看到了BMS外觀的基本方框，同時具有防止電池嚴重故障的功能。

圖1.典型的BMS框圖

此示例BMS可以串聯處理四個鋰離子電池。電池監控器會讀取所有電池電壓，并將其中的電壓均勻化：此功能稱為平衡（稍后會有更多介紹）。這由處理遙測數據以及開關操縱和平衡策略的MCU控制。

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

圖2.一個簡單的電池管理器。

這些較簡單的系統的缺點在于，設計人員必須綁定到給定部件所提供的功能（例如，高端或低端開關）而無需定制。

當使用更多的電池時，需要一個平衡系統。存在沒有MCU仍然可以運行的簡單方案，如圖3所示。

圖3.獨立于MCU的電池平衡器。

當使用更大的電池組或需要串聯電池或進行電量計計算的任何產品時，需要使用MCU。圖4是最集成（因此成本最低）的解決方案。

圖4.商業BMS。

這是一個BMS，它使用具有專有固件的MCU來運行所有與電池相關的功能。

構件：電池管理系統組件

回頭看一下圖1，以了解對BMS至關重要的基本部分?，F在，讓我們更詳細地瀏覽圖4的主要部分，以了解BMS框圖中涉及的各個元素。

保險絲

當發生劇烈短路時，需要快速保護電池單元。在圖5中，您可以看到所謂的自控保護（SCP）保險絲，當保險絲出現過壓時，該保險絲會被過壓控制IC燒斷，從而將引腳2接地。

圖5.SCP保險絲和商用BMS的控制

MCU可以傳達保險絲燒斷的狀況，這就是為什么MCU電源必須在保險絲之前。

電流感測/庫侖計數

此處實現了低側電流測量，允許直接連接到MCU。

圖6.商業BMS的典型低電流感

保持時間基準并隨著時間對電流進行積分，我們獲得進入或離開電池的總能量，并實現一個庫侖計數器。換句話說，我們可以使用以下公式估算充電狀態（SOC，不要與片上系統混淆）：

熱敏電阻

溫度傳感器（通常為熱敏電阻）既用于溫度監控，又用于安全干預。

在圖7中，您可以看到一個熱敏電阻，用于控制過壓控制IC的輸入。這是在沒有MCU干預的情況下人為地燒斷了SCP（圖5中所示的保險絲）。

圖7.在出現嚴重的熱問題時，熱敏電阻可以控制SCP

圖8顯示了另外兩個用于遙測的熱敏電阻。

圖8.固件使用的熱敏電阻

主開關

要用作開關，MOSFET需要其漏極-源極電壓為Vds≤Vgs?Vth。線性區域中的電流為Id=k?（Vgs?Vth）?Vds，使開關的電阻RMOS=1/［k?（Vgs?Vth）］。

重要的是VGsVGs從而確保低電阻，從而降低損耗。

圖9.電池組主開關（NMOS，高端）

NMOS類型也通過電荷泵用于高端開關，因為通常它們具有較低的RMOS。

平衡器

電池單元的容量和阻抗具有給定的公差。因此，在循環中，電荷差異會在串聯的電池之間累積。

如果一組較弱的電池容量較小，則與串聯的其他電池相比，充電速度會更快。因此，BMS必須停止其他電池的充電，否則較弱的電池將被過度充電，如圖10所示。

圖10.低容量電池阻礙了電池組充滿電。

相反，電池可以更快地放電，從而使電池處于低于其最小電壓的風險。在這種情況下，沒有平衡器的BMS必須提前停止供電，如圖11所示。

圖11.容量較低的電池阻礙了電池組能量的使用。

像圖12中的電路一樣，如圖10所示，該電路將以較高的SOC（充電狀態）對其他電池串聯放電。這是通過使用一種稱為電荷分流的被動平衡方法來實現的。

圖12.被動平衡策略的示例

由于電流在導通狀態下流過晶體管，并通過R消散，并且由于參考電壓為CELL1（負極），因此只有這樣的單元才能釋放多余的能量。

本文旨在介紹電池管理系統的基本概念，并介紹其設計中使用的基本組件。希望您現在對電池管理系統要完成的工作以及如何在電源設計中使用有更好的了解。
編輯：lyn