电池管理系统的几个硬件设计关键点

01. 前言  

电池管理系统（BatteryManagement System，BMS）的作用是智能化管理及维护各个电池单元，防止电池出现过放和过充，延长电池的使用寿命；并实时监控电池的状态，使其处于最佳的工作状态。 在BMS的硬件设计过程中，有一些关键点需要我们重视并深入挖掘，例如温度检测、电压检测、电量均衡、电流检测、预充预放、唤醒电路的设计等等，本文主要针对“温度检测”、“电压检测”以及“电量均衡”的功能原理和电路设计做一个说明。

02. 温度检测  

1、功能说明

温度检测是BMS硬件的一个基础功能，依据板上的不同器件，可以分为电芯温度检测、均衡电阻温度检测和MOS温度检测；依据电池不同的工作状态，可以分为放电、充电和静置（不放电也不充电）模式下的温度检测；依据温度阈值，可以分为高温告警、低温告警和正常状态。 温度检测可以实时监测电池包的工作温度，例如出现高温告警时，立即停止充放电，防止温度进一步升高。同时上报云服务器（若有），确认是否有必要通知相关人员赶往现场，降低热失控的概率，即使已经起火，也能在一定程度上避免更大的损失。

当出现低温告警时，BMS会立即停止充电，而放电还要根据实际温度来做具体的判断（一般锂电池的充电温度范围是0~45℃、放电是-20~60℃）。低温充电的风险是析锂，严重情况下会造成起火，主要是负极在低温时的嵌锂阻抗明显大于正极脱锂阻抗，锂离子无法及时嵌入到负极当中，从而引发析锂、刺穿隔膜导致短路起火。

2、硬件电路

其实温度检测的电路非常简单，如下图2所示：搭建一个分压电路，使用ADC去采集分压后的电压，因为NTC器件的阻值会随着温度的升高而降低，因此在不同温度下可以采集到不同的电压值，最后通过公式计算得到当前的温度值。 NTC阻值和温度的公式如下：Rt = R *EXP(B*(1/T1-1/T2)) 这里T1和T2指的是K度（即开尔文温度），K度=273.15（绝对温度）+摄氏度；其中T2=(273.15+25)；Rt 是热敏电阻在T1温度下的阻值；R是热敏电阻在T2常温下的标称阻值；B值是热敏电阻的重要参数；EXP是e的n次方。



图2 温度检测电路

3、精度影响和参数设计

温度采集精度是一个比较重要的指标，从图2的电路也可以看出，精度主要受以下几个方面的影响：上拉电压源的精度、AFE/MCU的参考电压源精度、R1电阻的精度、NTC电阻的精度、ADC的采样精度。

上拉电压源和AFE/MCU的参考电压源建议使用同一个，一般为LDO的输出电压，纹波较小，常见的是3.3V或者5V；C1可选择100pF左右；R1电阻选择1%精度；ADC采样精度和处理器相关，精度提高成本也会有相应的增加；下文对R1和NTC的参数选择做一个详细的说明： 首先是阻值的选择，建议R1阻值=NTC常温下的阻值，优点是高低温的测量范围相差不大，如果某些特殊场景对于高温或者低温更加敏感的话，R1可以适当调整；阻值越大功耗越低，但是精度也会有所下降；对于高温精度要求高的可选择高阻值、对于低温精度要求高的可选择低阻值。

其次是NTC电阻B值的选择，B值越大，其阻值和温度的关系图斜率越大。

当温度低于25℃时，B值越大，同样的温度环境下NTC阻值越大；当温度高于25℃时，B值越大，同样的温度环境下NTC阻值越小。对于温度精度高，但温度范围较窄的场景，可以选择B值较大的NTC；对于温度范围较宽，特别是高温测量有要求的场景，建议选择B值较小的NTC。



图3 不同B值下的NTC特性

TI的BQ76952芯片手册推荐的是103-AT，B值=3435，相对较小，因为电芯和MOS温度在极限工况下升温较快，特别是MOS器件可以升至100℃以上。

图4 TI-BQ76952NTC选型推荐

图5 温度电阻特性图

03. 电压检测  

1、功能说明

BMS的电压检测一般可分为B+电压检测、P+电压检测以及单串电芯电压检测，这里主要介绍的是单串电芯的检测。 通过对单串电芯电压的检测，可以知道是否有电芯处于过放或者过充的状态，一旦确认异常马上停止充电或者放电，然后再对电芯进行电量均衡，一是保证电池的安全、二是延长电池的使用寿命。同时电压检测还能判断BMS板和各个电芯之间的连接状态，即断线检测，下文将进行详细的介绍。

2、硬件电路

下图是AFE芯片BQ76952的官方硬件设计图，可以看到每一串电芯都连接到了VC0~VC16引脚。 这里R2~R21的作用：一是设置固定的滤波截止频率，匹配AFE内部的滤波采样电路与时间，实现高精度；二是热插拔防护。考虑AFE通道的漏电流问题，如果漏电流大的话，该串阻一定不能太大，否则会在此处产生足以影响采样精度的压降；但是太小又会降低防护能力，可根据规格书进行选择，一般是20R~1KR的推荐值。



图6 TI-BQ76952官方硬件设计图

3、精度影响

图7中的r代表电芯的内阻和电芯铜排连接阻抗之和；Rc代表连接器的接触阻抗与外部采样线束的阻抗之和；Rm代表厂家推荐的采样通道串联电阻；Ri代表AFE内部的等效电阻。r一般是几mΩ，Rc一般是几十mΩ，Rm是20Ω到1KΩ，Ri是MΩ级别。



图7 电压采样等效图

Rc是采样线阻抗与连接器的接触电阻之和，它最恶劣的情况是开路，但一般AFE都有断线检测机制，可以识别出来此故障；另外一种情况就是连接不良，此时阻抗可能很大，就会对电芯进行分压，进而造成电压采样结果出现偏差。 理论上r+Rc+Rm越小、Ri越大、AFE内部ADC精度越高，那么电压的采样精度也会越高。

4、断线检测

AFE的电压检测还集成了有一个重要功能：断线检测。 下面将介绍某款芯片的断线检测机制：在图8中，某条采样线处于断开状态，使用红圈表示，此时这条采样线的上下两个电芯会被内阻Ri进行分压，也会采集到一个“假的”电压值，但实际这个电压值不能代表电芯的真实电压，如果它被当做真实电压使用，可能会造成过充或者过放。

因此，在其内部采样通道上，集成了一个开关和电阻Rpd，开关S分为奇数组和偶数组，同时只能闭合一组，即S2闭合时，S1与S3是断开的，反之亦然；AFE去操作两组开关，去得到两组采样值，如果当其闭合时，采到的结果小于门限电压（例如150mV），则判定为断线。



图8 电芯采样断线

举个例子，假设电芯电压为4V，Rm=1K，Rpd=1K（因为Ri阻值到了MΩ极，所以Ri对于Rpd的影响微乎其微），当图中的红色圆圈处断线，根据电阻分压，当S2闭合、S1和S3断开时，V1-V0=4V，V2-V1≈0V，V3-V2≈8V（因为断线的存在，导致几乎没有电流回路，V2和V1电压基本相同）；当S2断开、S1和S3闭合时，V1-V0≈（Rm和Rpd3的分压）=4V/2=2V，V3-V2≈0V，V2-V1≈12V-2V=10V。 当S2闭合、S1和S3断开时，V2-V1≈0V；当S2断开、S1和S3闭合时，V3-V2≈0V。两种状态都出现小于阈值150mV的情况，故判定为两个电芯中间处断线。



图9 左图闭合S2断开S1S3、右图断开S2闭合S1S3

04. 均衡电路

1、功能说明

BMS的第三个重要功能是电量均衡，如下图所示：当电池在充电时，如果其中一节电芯最先达到满充状态，那么充电将停止，否则该节电芯可能会出现膨胀漏液甚至热失控，此时其余串联的电芯也不能再被充电，电池总体的能量利用率就会降低。当电池放电时，如果其中一节电芯最先达到过放状态，那么放电将停止，否则该节电芯会被过放损坏且不可恢复。BMS的均衡功能就是为了解决上述两个问题。

均衡又分为主动均衡和被动均衡，主动均衡可以理解为能量的主动搬运，例如出现下图的情况时，可以将100%的电芯电量转移到90%的电芯中、也可以将50%的电芯电量转移到10%的电芯中。在不计能量损耗的理想情况下，下左图的3节电芯将变成(100+95+95)/3=96.7%、下右图的3节电芯将变成(50+10+50)/3=36.7%。被动均衡则是被动消耗电芯的电量，一般使用电阻，不能实现电量的转移。主动均衡电路复杂、成本高，被动均衡反之，本文主要介绍被动均衡。



图10 电芯电量不均衡

2、硬件电路

AFE一般自带内部均衡，有的和采样电路共用，有的需要单独增加一路，如下图所示。当某节电芯的电压过高，AFE会导通内部MOS，此时在Rb（均衡电阻）和Rm（采样电阻）会形成电流，从而消耗电芯电量。 需要注意的是，如果均衡和采样共用一路，那么Rm的封装需要适当加大，并且均衡和采样不能同时进行，一般是交替均衡和采样。



图11 采样和内部均衡电路

但芯片自带的内部均衡电流较小，且容易造成芯片发热，因此一般使用外置电阻。如下图所示。对于AFE而言，是否有外部电阻它是无感知的，例如B24+的电压过高需要消耗其电量，那么AFE内部还是将VC8和VC7导通，此时Q109因为电阻R488的压差也导通，电芯的电量由电阻R479消耗。



图12 外部均衡电路

3、参数设计

对均衡电阻（R476为例）的选型，需要考虑其阻值、封装和最大功率，因为被动均衡时电能会被转换为热能消耗掉。阻值越小，均衡速度越快、但是发热也大，且不能超过电阻的最大工作功率；封装越大散热越快，但占用的PCB面积也越大。

以磷酸铁锂电池为例，单节电芯的最大电压=3.65V，均衡电阻选择51R，那么最大功率P=U*U/R=3.65*3.65/51≈0.27W，因此1210封装以上都满足（1210是1/3W、1812是1/2W、2010是3/4W）。 对于三极管（Q108）的选型，需要考虑VCE的耐压值和IC值。MMBT5551的VCE=160V、IC=600mA、封装SOT-23，满足选型的要求。

R475和R478的选型需要注意以下几点：

1、阻值不能太大，否则会影响VC0~VC16的采样精度（有电流流过时，阻值越大，R475、R478上的电压就越大）；

2、阻值不能太小，否则“R475+内部MOS+R478”上消耗的热能 > R476，不符合设计预期；

3、R478在均衡时的压差需要保证Q108能被完全开启，即VBE>0.6~1V。规格书推荐阻值是20~100Ω，考虑到对外的防护能力，图12中选择的是100Ω电阻，且VBE≈3/（100+45+100）*100=1.22V，满足要求。





审核编辑：刘清