BMS的幾個硬件設計關鍵點

01.前言

電池管理系統(BatteryManagement System，BMS)的作用是智能化管理及維護各個電池單元，防止電池出現過放和過充，延長電池的使用壽命;并實時監控電池的狀態，使其處于最佳的工作狀態。在BMS的硬件設計過程中，有一些關鍵點需要我們重視并深入挖掘，例如溫度檢測、電壓檢測、電量均衡、電流檢測、預充預放、喚醒電路的設計等等，本文主要針對“溫度檢測”、“電壓檢測”以及“電量均衡”的功能原理和電路設計做一個說明。

圖1BMS板實物圖

02.溫度檢測

1、功能說明

溫度檢測是BMS硬件的一個基礎功能，依據板上的不同器件，可以分為電芯溫度檢測、均衡電阻溫度檢測和MOS溫度檢測;依據電池不同的工作狀態，可以分為放電、充電和靜置(不放電也不充電)模式下的溫度檢測;依據溫度閾值，可以分為高溫告警、低溫告警和正常狀態。

溫度檢測可以實時監測電池包的工作溫度，例如出現高溫告警時，立即停止充放電，防止溫度進一步升高。同時上報云服務器(若有)，確認是否有必要通知相關人員趕往現場，降低熱失控的概率，即使已經起火，也能在一定程度上避免更大的損失。

當出現低溫告警時，BMS會立即停止充電，而放電還要根據實際溫度來做具體的判斷(一般鋰電池的充電溫度范圍是0~45℃、放電是-20~60℃)。低溫充電的風險是析鋰，嚴重情況下會造成起火，主要是負極在低溫時的嵌鋰阻抗明顯大于正極脫鋰阻抗，鋰離子無法及時嵌入到負極當中，從而引發析鋰、刺穿隔膜導致短路起火。

2、硬件電路

其實溫度檢測的電路非常簡單，如下圖2所示：搭建一個分壓電路，使用ADC去采集分壓后的電壓，因為NTC器件的阻值會隨著溫度的升高而降低，因此在不同溫度下可以采集到不同的電壓值，最后通過公式計算得到當前的溫度值。

NTC阻值和溫度的公式如下：Rt = R *EXP(B*(1/T1-1/T2))

這里T1和T2指的是K度(即開爾文溫度)，K度=273.15(絕對溫度)+攝氏度;其中T2=(273.15+25);Rt 是熱敏電阻在T1溫度下的阻值;R是熱敏電阻在T2常溫下的標稱阻值;B值是熱敏電阻的重要參數;EXP是e的n次方。

圖2 溫度檢測電路

3、精度影響和參數設計

溫度采集精度是一個比較重要的指標，從圖2的電路也可以看出，精度主要受以下幾個方面的影響：上拉電壓源的精度、AFE/MCU的參考電壓源精度、R1電阻的精度、NTC電阻的精度、ADC的采樣精度。上拉電壓源和AFE/MCU的參考電壓源建議使用同一個，一般為LDO的輸出電壓，紋波較小，常見的是3.3V或者5V;C1可選擇100pF左右;R1電阻選擇1%精度;ADC采樣精度和處理器相關，精度提高成本也會有相應的增加;下文對R1和NTC的參數選擇做一個詳細的說明：

首先是阻值的選擇，建議R1阻值=NTC常溫下的阻值，優點是高低溫的測量范圍相差不大，如果某些特殊場景對于高溫或者低溫更加敏感的話，R1可以適當調整;阻值越大功耗越低，但是精度也會有所下降;對于高溫精度要求高的可選擇高阻值、對于低溫精度要求高的可選擇低阻值。

其次是NTC電阻B值的選擇，B值越大，其阻值和溫度的關系圖斜率越大。當溫度低于25℃時，B值越大，同樣的溫度環境下NTC阻值越大;當溫度高于25℃時，B值越大，同樣的溫度環境下NTC阻值越小。對于溫度精度高，但溫度范圍較窄的場景，可以選擇B值較大的NTC;對于溫度范圍較寬，特別是高溫測量有要求的場景，建議選擇B值較小的NTC。

圖3 不同B值下的NTC特性

TI的BQ76952芯片手冊推薦的是103-AT，B值=3435，相對較小，因為電芯和MOS溫度在極限工況下升溫較快，特別是MOS器件可以升至100℃以上。

圖4 TI-BQ76952NTC選型推薦

圖5 溫度電阻特性圖

03.

電壓檢測

1、功能說明

BMS的電壓檢測一般可分為B+電壓檢測、P+電壓檢測以及單串電芯電壓檢測，這里主要介紹的是單串電芯的檢測。

通過對單串電芯電壓的檢測，可以知道是否有電芯處于過放或者過充的狀態，一旦確認異常馬上停止充電或者放電，然后再對電芯進行電量均衡，一是保證電池的安全、二是延長電池的使用壽命。同時電壓檢測還能判斷BMS板和各個電芯之間的連接狀態，即斷線檢測，下文將進行詳細的介紹。

2、硬件電路

下圖是AFE芯片BQ76952的官方硬件設計圖，可以看到每一串電芯都連接到了VC0~VC16引腳。

這里R2~R21的作用：一是設置固定的濾波截止頻率，匹配AFE內部的濾波采樣電路與時間，實現高精度;二是熱插拔防護?？紤]AFE通道的漏電流問題，如果漏電流大的話，該串阻一定不能太大，否則會在此處產生足以影響采樣精度的壓降;但是太小又會降低防護能力，可根據規格書進行選擇，一般是20R~1KR的推薦值。

圖6 TI-BQ76952官方硬件設計圖

3、精度影響

圖7中的r代表電芯的內阻和電芯銅排連接阻抗之和;Rc代表連接器的接觸阻抗與外部采樣線束的阻抗之和;Rm代表廠家推薦的采樣通道串聯電阻;Ri代表AFE內部的等效電阻。r一般是幾mΩ，Rc一般是幾十mΩ，Rm是20Ω到1KΩ，Ri是MΩ級別。

圖7 電壓采樣等效圖

Rc是采樣線阻抗與連接器的接觸電阻之和，它最惡劣的情況是開路，但一般AFE都有斷線檢測機制，可以識別出來此故障;另外一種情況就是連接不良，此時阻抗可能很大，就會對電芯進行分壓，進而造成電壓采樣結果出現偏差。

理論上r+Rc+Rm越小、Ri越大、AFE內部ADC精度越高，那么電壓的采樣精度也會越高。

4、斷線檢測

AFE的電壓檢測還集成了有一個重要功能：斷線檢測。

下面將介紹某款芯片的斷線檢測機制：在圖8中，某條采樣線處于斷開狀態，使用紅圈表示，此時這條采樣線的上下兩個電芯會被內阻Ri進行分壓，也會采集到一個“假的”電壓值，但實際這個電壓值不能代表電芯的真實電壓，如果它被當做真實電壓使用，可能會造成過充或者過放。因此，在其內部采樣通道上，集成了一個開關和電阻Rpd，開關S分為奇數組和偶數組，同時只能閉合一組，即S2閉合時，S1與S3是斷開的，反之亦然;AFE去操作兩組開關，去得到兩組采樣值，如果當其閉合時，采到的結果小于門限電壓(例如150mV)，則判定為斷線。

圖8 電芯采樣斷線

舉個例子，假設電芯電壓為4V，Rm=1K，Rpd=1K(因為Ri阻值到了MΩ極，所以Ri對于Rpd的影響微乎其微)，當圖中的紅色圓圈處斷線，根據電阻分壓，當S2閉合、S1和S3斷開時，V1-V0=4V，V2-V1≈0V，V3-V2≈8V(因為斷線的存在，導致幾乎沒有電流回路，V2和V1電壓基本相同);當S2斷開、S1和S3閉合時，V1-V0≈(Rm和Rpd3的分壓)=4V/2=2V，V3-V2≈0V，V2-V1≈12V-2V=10V。當S2閉合、S1和S3斷開時，V2-V1≈0V;當S2斷開、S1和S3閉合時，V3-V2≈0V。兩種狀態都出現小于閾值150mV的情況，故判定為兩個電芯中間處斷線。

圖9 左圖閉合S2斷開S1S3、右圖斷開S2閉合S1S3

04.均衡電路

1、功能說明

BMS的第三個重要功能是電量均衡，如下圖所示：當電池在充電時，如果其中一節電芯最先達到滿充狀態，那么充電將停止，否則該節電芯可能會出現膨脹漏液甚至熱失控，此時其余串聯的電芯也不能再被充電，電池總體的能量利用率就會降低。當電池放電時，如果其中一節電芯最先達到過放狀態，那么放電將停止，否則該節電芯會被過放損壞且不可恢復。BMS的均衡功能就是為了解決上述兩個問題。均衡又分為主動均衡和被動均衡，主動均衡可以理解為能量的主動搬運，例如出現下圖的情況時，可以將100%的電芯電量轉移到90%的電芯中、也可以將50%的電芯電量轉移到10%的電芯中。在不計能量損耗的理想情況下，下左圖的3節電芯將變成(100+95+95)/3=96.7%、下右圖的3節電芯將變成(50+10+50)/3=36.7%。被動均衡則是被動消耗電芯的電量，一般使用電阻，不能實現電量的轉移。主動均衡電路復雜、成本高，被動均衡反之，本文主要介紹被動均衡。

圖10 電芯電量不均衡

2、硬件電路

AFE一般自帶內部均衡，有的和采樣電路共用，有的需要單獨增加一路，如下圖所示。當某節電芯的電壓過高，AFE會導通內部MOS，此時在Rb(均衡電阻)和Rm(采樣電阻)會形成電流，從而消耗電芯電量。

需要注意的是，如果均衡和采樣共用一路，那么Rm的封裝需要適當加大，并且均衡和采樣不能同時進行，一般是交替均衡和采樣。

圖11 采樣和內部均衡電路

但芯片自帶的內部均衡電流較小，且容易造成芯片發熱，因此一般使用外置電阻。如下圖所示。對于AFE而言，是否有外部電阻它是無感知的，例如B24+的電壓過高需要消耗其電量，那么AFE內部還是將VC8和VC7導通，此時Q109因為電阻R488的壓差也導通，電芯的電量由電阻R479消耗。

圖12 外部均衡電路

3、參數設計

對均衡電阻(R476為例)的選型，需要考慮其阻值、封裝和最大功率，因為被動均衡時電能會被轉換為熱能消耗掉。阻值越小，均衡速度越快、但是發熱也大，且不能超過電阻的最大工作功率;封裝越大散熱越快，但占用的PCB面積也越大。

以磷酸鐵鋰電池為例，單節電芯的最大電壓=3.65V，均衡電阻選擇51R，那么最大功率P=U*U/R=3.65*3.65/51≈0.27W，因此1210封裝以上都滿足(1210是1/3W、1812是1/2W、2010是3/4W)。

對于三極管(Q108)的選型，需要考慮VCE的耐壓值和IC值。MMBT5551的VCE=160V、IC=600mA、封裝SOT-23，滿足選型的要求。

R475和R478的選型需要注意以下幾點：1、阻值不能太大，否則會影響VC0~VC16的采樣精度(有電流流過時，阻值越大，R475、R478上的電壓就越大);2、阻值不能太小，否則“R475+內部MOS+R478”上消耗的熱能 > R476，不符合設計預期;3、R478在均衡時的壓差需要保證Q108能被完全開啟，即VBE>0.6~1V。規格書推薦阻值是20~100Ω，考慮到對外的防護能力，圖12中選擇的是100Ω電阻，且VBE≈3/(100+45+100)*100=1.22V，滿足要求。

05.小結

本文主要對AFE芯片采樣相關的硬件設計做了詳細的說明，包括溫度檢測、電壓檢測、斷線檢測以及電量均衡;下一篇將介紹AFE芯片控制部分的硬件設計，例如主充電電路、預充電路、主放電電路、預放電路、三端保險絲保護電路等。

審核編輯：湯梓紅