机器人电池管理：如何打造高效、安全的锂电池管理系统BMS

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电池管理系统架构

 

电池管理系统（BMS）通常由多个功能模块组成，包括截止场效应晶体管（FETs）、燃料监测器、电池单元电压监测器、电池单元电压均衡器、实时钟、温度监测器和状态机（见图1）。市面上有多种类型的BMS集成电路（IC）。

 

解释说明

 

1. 截止场效应晶体管（FETs）：

   • 用于控制电流的流动，保护电池不受过度充电或过度放电的影响。通过开关FETs，可以断开电池与负载或充电器的连接，从而防止电池损坏。

2. 燃料监测器：

   • 用于测量电池的电量状态（SOC），即电池剩余的电量。这有助于提供准确的电量信息，确保电池不会因过度放电而损坏。

3. 电池单元电压监测器：

   • 监测每个电池单元的电压，确保它们在安全的工作范围内。这可以及时检测到任何单元电压异常，以防止电池损坏。

4. 电池单元电压均衡器：

   • 用于平衡电池单元之间的电压差异。通过均衡功能，可以确保所有电池单元的电压保持一致，从而优化电池的整体性能和寿命。

5. 实时钟：

   • 提供准确的时间信息，以便系统能够跟踪电池的充电和放电周期，进行定时的维护和监测。

6. 温度监测器：

   • 测量电池单元的温度，防止过热。温度监测器可以检测到电池的异常温升，从而触发保护措施，防止热失控和安全隐患。

7. 状态机：

   • 负责控制系统的逻辑状态和操作。状态机根据电池的当前状态（如充电、放电、保护模式等）执行相应的操作，以确保系统正常运行。

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这些功能模块协同工作，确保电池管理系统能够准确监控和管理电池的状态，提供可靠的性能和安全保障。

 

 

 

 

 

 

 

功能模块组合及其技术分析

 

功能模块的组合方式差异很大，从简单的模拟前端（如ISL94208，提供均衡和监测功能，需要微控制器）到独立的集成解决方案（如ISL94203，能够自主运行）。接下来，我们将分析每个模块的目的和技术，以及各自的优缺点。

 

截止FETs和FET驱动器

 

FET驱动器功能模块负责电池组与负载和充电器之间的连接和隔离。FET驱动器的行为基于电池单元电压测量、电流测量以及实时检测电路的结果。图2展示了两种不同类型的FET连接方式：

 

• 图2A 显示了最少数量连接的单一连接方式，该方式将电池组的工作模式限制为充电、放电或休眠。这种方式中，电流流动方向和特定实时测试的行为决定了设备的状态。

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• 图2B 显示了允许同时充电和放电的双端连接方式。这种连接方式提供了更多的操作灵活性，但需要更多的连接和更复杂的控制逻辑。

技术分析

 

1. 简单模拟前端：

   • 优点：设计简单、成本较低，适用于基本的电池管理功能。

   • 缺点：需要外部微控制器来管理，可能限制了系统的集成度和功能扩展性。

2. 独立集成解决方案：

   • 优点：集成度高、运行自主，不需要外部微控制器，能够提供更高的系统集成度和更强的功能。

   • 缺点：可能成本较高，设计复杂度增加。

通过了解这些模块的目的和技术，可以根据具体的应用需求选择合适的BMS设计，以实现最佳的电池管理效果。

 

功能模块及其技术解析

 

截止FETs和FET驱动器

 

ISL94203 配备了一个通道监视器（CHMON），用于监测截止FETs右侧的电压。如果充电器连接到电池组，而电池组与充电器隔离，那么注入电池组的电流将导致电压上升至充电器的最大供电电压。CHMON上的电压水平达到阈值，从而使BMS设备知道有充电器连接。为了确定负载连接，通过向负载注入电流来检查负载的存在。如果注入电流时引脚电压没有显著上升，说明负载存在。这时，FET驱动器的DFET会打开。图2B中的连接方案允许电池组在充电时同时运行。

 

FET驱动器可以设计为连接到电池组的高侧或低侧：

 

• 高侧连接：需要一个充电泵驱动器来激活NMOS FETs。高侧驱动器提供了一个稳固的地参考，适用于其他电路。使用高侧驱动器时，虽然可以提供稳定的地参考，但需要额外的充电泵，可能会增加成本和复杂性。

• 低侧连接：某些集成解决方案中使用低侧FET驱动器以降低成本，因为它们不需要充电泵，也不需要高电压器件，这减少了芯片的面积。然而，低侧FETs会使电池组的地连接浮动，使其更容易受到噪声的影响，从而可能影响某些IC的性能。

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燃料计/电流测量

 

燃料计功能块 跟踪电池组中的电荷流入和流出。电荷是电流和时间的乘积。在设计燃料计时可以使用多种不同的方法：

• 电流传感放大器和嵌入式低分辨率ADC：这种方法通过电流传感放大器放大信号，适用于高共模环境，从而实现更高分辨率的测量。尽管这种设计技术牺牲了动态范围，但在一些应用中依然有效。

• 高分辨率ADC或昂贵的燃料计IC：高分辨率ADC提供了较大的动态范围，但牺牲了速度。如果电池连接到不稳定的负载，如电动车，慢速ADC可能会遗漏高幅度和高频率的电流峰值。

对于不稳定的负载，使用具有电流传感放大器前端的逐次逼近寄存器（SAR）ADC可能更为理想。测量误差会影响电池电荷的整体误差，长期测量误差会导致显著的电池电量状态错误。16位分辨率和50 µV或更小的偏移量对于充电测量是足够的。

 

电池单元电压和延长电池寿命

 

监测电池组中每个单元的电压对于确定其整体健康状况至关重要。所有电池单元都有一个操作电压窗口，充电/放电应在此窗口内进行，以确保电池的正常运行和寿命。对于使用锂化学电池的应用，操作电压通常在2.5V到4.2V之间（具体范围取决于化学成分）。在电压范围之外操作电池会显著减少电池的使用寿命，并可能使其变得无用。

 

电池单元以串联和并联的方式连接形成电池组。并联连接增加了电池组的电流驱动能力，而串联连接则增加了整体电压。由于电池单元的性能分布，随着每个单元在充电和放电之间循环，其充电和放电速率会发生变化，这导致电池组内的电池单元之间存在分布差异。

 

为了确定电池组是否充满，可以监测每个单元的电压直到设定电压水平。第一个达到电压限制的电池单元会触发电池组充满的限制。如果电池组中有一个较弱的单元，可能会导致较弱的单元最先达到限制，从而阻止其他单元完全充电。

 

为了提高电池组每次充电的ON时间，可以采取以下两种方法：

 

1. 在充电周期中减慢对较弱单元的充电速度：通过将一个旁路FET与限流电阻连接到电池单元（图3A），从充电电流较高的单元中分流电流，减缓较弱单元的充电速度。这样，其他电池单元能够赶上，实现电池组充电容量的最大化。

2. 主动均衡：在放电周期中，通过从强电池单元窃取电荷并将其提供给弱电池单元（图3B），实现主动均衡。这种方法在电池组充电和放电时都有助于平衡各单元的电荷，从而延长电池组的使用寿命。

    

      

    

3. 其他功能模块及其技术解析

4.  

主动均衡

 

第二种方法是通过在放电周期中实现充电位移方案来平衡电池组。这种方法通过感应耦合或电容存储，从强电池单元（alpha单元）获取电荷，并将储存的电荷注入到最弱的电池单元中。这样可以延缓最弱电池单元达到放电极限的时间，这种方法被称为主动均衡（见图3B）。

 

温度监测

 

现代电池在保持恒定电压的同时能够提供大量电流，这可能导致电池过热，进而引发火灾。电池中使用的化学品非常易燃，如果电池受到锐物刺穿，也可能引发火灾。温度测量不仅用于安全，还可以帮助确定是否适合充电或放电电池。

温度传感器用于监测每个电池单元在能源存储系统（ESS）应用中，或在较小、便携的应用中监测电池单元组。常用的温度传感器是由内部ADC电压参考供电的热敏电阻。内部电压参考有助于减少由于环境温度变化而导致的温度读数不准确的问题。

 

状态机或算法

 

大多数BMS系统需要微控制器（MCU）或现场可编程门阵列（FPGA）来管理来自传感电路的信息，然后根据接收到的信息做出决策。在某些设备中，如ISL94203，数字编码的算法可以实现单芯片的独立解决方案。独立解决方案在与MCU配合时也很有价值，因为独立方案的状态机可以释放MCU的时钟周期和内存空间。

 

其他BMS功能模块

 

其他功能模块可能包括电池认证、实时钟（RTC）、内存和串联链路（daisy chain）：

 

• 电池认证：防止BMS电子系统连接到第三方电池组，确保系统安全性。

• 实时钟（RTC）和内存：用于黑匣子应用——RTC用于时间戳，内存用于存储数据。这可以让用户在灾难性事件发生前了解电池组的行为。

• 电压参考/稳压器：用于为BMS系统周围的外围电路供电。

• 串联链路：用于简化堆叠设备之间的连接。串联链路模块取代了光耦合器或其他电平转换电路的需求，简化了系统设计。

 

 

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