電池管理系統(BMS)設計之高側與低側電池保護

BMS組成示意圖

圖中所示為億能BMS，采用主從結構（Master-Slave），包含一個主控多個從控，每個從控最多管理60支電池。

主控與充電機、車輛控制器通過外部CAN總線通信，主控與手持設備通過RS232通信，主從之間通過內部CAN總線級聯。

從控實現電壓采集、溫度采集、熱管理，主控兼顧電流測量、絕緣檢測以及與其他設備通信等功能。

高側與低側電池保護

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 溝道 MOSFET 實現，因為與 P 溝道 MOSFET 相比，它們的內阻較低。這些斷路器可以放置在高壓側（電池的正極端子）或低壓側（電池的負極端子）。

高側架構確保接地 （GND） 始終得到良好參考，從而避免出現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，這對于 MCU 的精確操作至關重要。

然而，當 N 溝道 MOSFET 放置在電池正極端子時，驅動它們的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，集成到 AFE 中的專用電荷泵通常用于高側架構，這會增加總體成本和 IC 電流消耗。

對于低側配置，不需要電荷泵，因為保護 MOSFET 放置在電池的負極。然而，在低側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，同時最大限度地減少 BOM。此外，高精度電荷泵控制可實現 N 溝道 MOSFET 軟開啟功能，無需任何額外的預充電電路，從而進一步最小化 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，從而允許小電流流過保護以對負載進行預充電（見圖 ）?？梢耘渲枚鄠€參數以確保安全轉換，例如最大允許電流或保護 FET 關閉而不觸發故障的時間。

圖 ：MP279x 系列的軟啟動方案

電池管理系統（BMS）設計中的高側與低側電池保護是確保電池安全、高效運行的關鍵環節。這兩種保護策略各自具有不同的特點和優勢，并在BMS設計中發揮著重要作用。

高側電池保護通常涉及將保護電路放置在電池的正極（高側）處。這種設計可以確保始終保持良好的接地（GND）參考，從而避免出現短路時的潛在安全和通信故障。然而，這種設計也面臨一些挑戰，例如當N溝道MOSFET置于電池正極時，其柵極驅動電壓需高于電池組電壓，這對設計提出了較高要求。為了解決這一問題，可以采用專用電荷泵集成到AFE中的方法，但這會增加總成本和IC電流消耗。

相比之下，低側電池保護將保護電路放置在電池的負極（低側）。這種配置不需要電荷泵，因此成本相對較低。然而，在低側配置中實現有效通信可能更加困難，因為在保護開啟時沒有GND參考。因此，在設計低側電池保護時，需要特別關注通信的穩定性和可靠性。

無論采用高側還是低側電池保護策略，BMS設計的核心目標都是確保電池的安全運行和延長使用壽命。通過實時監控電池的電壓、電流、溫度等狀態參數，BMS能夠及時發現潛在的安全隱患，并采取相應的保護措施，如斷開充放電回路、發出告警等。

如何正確選擇BMS

正確選擇電池管理系統（BMS）需要考慮多個因素，包括電池類型、應用場景、電池組的電壓和電流值、電池倍率等。以下是一些建議，以幫助您正確選擇BMS：

確定電池類型和規格：

根據您的應用場景和需求，確定所需的電池類型（如鋰電池、鉛酸電池等）和規格（如容量、電壓等）。

確認電池組電壓和電流值：

根據電池的單串電壓和電池的串數，計算出電池組的總電壓。不同類型的鋰電池，其標壓是不同的，因此要確保選擇合適的保護板電壓。

電流值的選擇也十分重要。不同的應用場景所需的鋰電池保護板電流不同，應選擇有余量的保護板電流值。例如，兩輪電動車通常選擇理論值的2倍以上，三輪電動車選擇理論值的3倍以上。

考慮電池倍率：

電池的放電倍率會影響保護板的選擇。如果電池的放電倍率高于保護板的承受范圍，可能會造成電池的損傷。

評估BMS的功能和性能：

選擇BMS時，應考慮其是否能夠實現對電池組的狀態監測、均衡控制、充放電控制等功能。

BMS還應具備實時調整充放電策略的能力，以適應不同的應用場景和需求。

考慮兼容性和集成性：

確保所選BMS硬件與其他設備（如充電樁、電動汽車等）的兼容性。

測試BMS系統與其他系統（如充電系統、整車控制系統等）的集成效果，以確保整體運行的穩定性和可靠性。

考慮安全性和可靠性：

評估BMS的安全性能，如防雷、防火等。

進行可靠性測試，包括在各種環境下的模擬測試和長時間運行測試，以確保BMS的穩定性和可靠性。

參考相關標準和規范：

在選擇BMS時，可以參考相關國家標準和行業標準，如GB/T《電動汽車用電池管理系統技術要求及試驗方法》等。

考慮成本和服務：

根據預算選擇合適的BMS產品，同時考慮供應商的服務質量和售后支持。

審核編輯：黃飛