如何做一个高集成低能耗的BMS系统

昨日已经为大家讲解恩智浦基于ISO26262标准、支持多种网络拓扑的BMS整体方案，同时还有意法半导体面向车载信息娱乐、音视频多媒体播放、整合高速CAN功能的电源管理IC，凌力尔特最新高度精准的电池组监视器+SmartMesh® 无线网格网络组合的无线BMS系统。目前，电池管理系统主要发展趋势，除了监测电池工作状态参数以外，还应具有精准估算电池荷电状态（SOC）、电池健康状态（SOH）、通讯、电池故障诊断、电池组均衡控制、电池状态监测人机界面等方面的功能。BMS通过与整车控制器通讯，能达到优化驾驶，防止过度放电；与充电机结合能够优化充电。电池管理系统也正向着集成化、低能耗、智能化、高可靠性方向发展。

微芯科技（Microchip）电源管理解决方案

系统负载均衡+锂电池充电管理的高集成单芯片MCP73871

在通常的电池供电系统设计中，大多数采用的方法是将系统负载与电池直接连接。系统负载会使锂离子电池不断放电，从而缩短了电池生命周期。Microchip 的 MCP73871 旨在克服锂离子电池供电应用的这些设计挑战。MCP73871 是一款尺寸紧凑且功能丰富的单芯片解决方案。该器件非常适合用于设计小型系统，同时还可以延长系统运行时间和电池寿命。

MCP73871 典型应用

MCP73871 器件是一款用于系统负载均衡和锂离子/锂聚合物电池充电管理的完全集成线性解决方案，可以选择交流/直流墙式适配器或 USB 端口电源。此外，它还可以在输入电源和电池之间进行自主电源选择。该器件不仅物理体积小而且需要的外部元件少，因此非常适合于便携式应用。MCP73871 器件可以自动从单节锂离子电池或输入电源（交流/直流墙式适配器或 USB 端口）获取系统负载的电源。MCP73871 器件完全遵从 USB 规范规定的电流消耗限制。使用交流/直流墙式适配器为系统供电时，外部电阻将设置最大幅值为 1A 的充电电流，同时支持系统负载和电池充电电流之和最高为 1.8A 的总电流。

MCP73871 器件采用恒流/恒压（CC/CV）充电算法，具有可选的充电终止点。提供 4 种固定的恒压稳压选项：4.10V、4.20V、4.35V 或 4.40V，以适应新兴的电池充电需求。在高功耗或高环境温度条件下，MCP73871 器件还可以基于裸片温度限制充电电流。这种热调节功能可以优化充电周期时间，同时还可以保持器件的可靠性。

MCP73871 器件包含了一个电池低电量指示器、一个电源正常指示器和两个充电状态指示器，可以使用 LED 进行显示或与主控单片机进行通信。MCP73871 器件支持 -40°C 至 +85°C 的环境温度范围。

此外，微芯开发的MCP73871 评估板，帮助产品设计人员采用颇受欢迎的 Microchip 带系统负载均衡功能的分立式锂离子电池充电管理控制器来简化产品的设计，缩短产品的设计时间。

MCP73871 的系统电源通路管理应用

MCP73871 评估板能实现如Microchip 的分立式线性锂离子电池充电器的系统电源通路和负载均衡管理控制的解决方案。当断开输入电源时，锂离子电池也能给系统负载供电。

MCP73871 评估板实现功能

支持USB应用的8位低成本PIC单片机

针对电源管理系统设计，微芯推出系列的智能充电管理控制器，如适用于便携充电应用的MCP73871，8 位闪芯、支持USB便携应用的PIC16F1xxx系列单片机（如PIC16F1933）。PIC18F1XK50 MCU系列提供USB主机监控功能，能在PIC单片机与USB没有连接时设定“休眠”模式或其他电源管理模式，从而进一步减少能耗。目前，微芯提供成本最低的USB单片机，包含业界最全面的8位、16位及32位USB单片机产品线，所有PIC单片机提供单一集成的开发环境MPLAB® IDE支持。

MCP73871 充电管理控制器（评估板）

目前成本最低、支持USB应用的8位PIC单片机——PIC18F14K50

微芯充电管理系列部分产品示例

英飞凌（Infineon）主动均衡解决方案

英飞凌的主动平衡解决方案是针对锂电充放电进行主动均衡处理的智能型方案。该方案采用特制变压器来将电池单体中的能量转移到电池包中，或者在各个电池包中转移，可以帮助提高能源效率，减少电池单体不一致而产生的问题，并将电池使用时间提高至少10%，对降低整个电池系统的成本起到极大作用。

目前，应用在主动均衡上的做法，主要有基于电容均衡、电感均衡、DC-DC均衡等几种方式。

基于电容的的均衡在电路失效的时候不会造成电池的过放，不过主动均衡电容充当电量搬用工，需要超级电容。超级电容的成本也很高，耐压却不高。容易出现老化，损坏等问题。 超级电容的寿命也存在问题。另外这种方式均衡的时候，电压压差越小均衡效率越低。可靠性无法保证。

基于电感的均衡存在一个风险， 就是均衡开关打开的时候出现死机或者意外控制型号失灵的状态，会引起大电流损坏电路。可靠性无法保证。

下面介绍由英飞凌公司基于变压器的主动均衡方案（互感充放电）。

目前，主动均衡的做法有很多，但均需要一个用于转移能量的存储元件。如果用电容来做存储元件，将其与所有电池单元相连就需要庞大的开关阵列。更有效的方法是将能量存储在一个磁场中。该电路中的关键元件是一个变压器。

其中，英飞凌设计的变压器能在电池单元之间转移能量，并将多个单独的电池单元电压复接至一个基于地电压的模数转换器（ADC）输入端。变压器实用模型支持多达 12 个电池单元，开关则采用低导通电阻 OptiMOS3 系列 MOSFET。

电池管理模块原理图

上图每个模块都受英飞凌公司的 8 位先进微控制器 XC886CLM 控制。这种微控制器自带闪存程序和一个32KB的数据存储器。此外，微控制器还有两个基于硬件的CAN接口，支持通过公共汽车控制器局域网（CAN）总线协议与下面的处理器负载通信，包含一个基于硬件的乘除法单元，可用于加快计算过程。

由于变压器可以双向工作，所以可以根据不同情况采取不同的均衡方法。在对所有电池单元进行电压扫描之后（电压扫描的细节将在后面介绍），计算平均值，然后检查电压偏离平均值最大的电池单元。如果其电压低于平均值，就采用底部平衡法（bottom-balancing），如果其电压高于平均值，就采用顶部平衡法（top-balancing）。

底部平衡法：当对所有电池单元扫描后，发现某个电池是最弱单元（比如电池2），则必须对其进行增强，此时闭合主开关（“prim”），电池组开始对变压器充电。主开关断开后，变压器存储的能量就可以转移至选定的电池单元。相应的次级（“sec”）开关——在本例中是开关sec2——闭合后，就开始能量转移。具体如下图所示：

锂离子电池的底部充电平衡原理

顶部平衡法：如果某个电池单元的电压高于其他单元，那么就需要将其中的能量导出，这在充电模式下尤其必要。如果不进行平衡，充电过程在第一块电池单元充满之后就不得不立即停止。采用平衡之后则可以通过保持所有电池单元的电压相等而避免发生过早停止充电的情况。

锂离子电池的顶部充电平衡原理

上图给出了顶部平衡模式下的能量流动情况。在电压扫描之后，发现电池单元5是整个电池组中电压最高的单元。此时闭合开关sec5，电流从电池流向变压器。由于自感的存在，电流随时间线性增大。而由于自感是变压器的一个固有特性，因此开关的导通时间就决定了能够达到的最大电流值。电池单元中转移出的能量以磁场的形式得到存储。在开关sec5断开后，必须闭合主开关。此时，变压器就从储能模式进入了能量输出模式。能量通过巨大的初级线圈送入整个电池组。顶部平衡法中的电流和时序条件与底部平衡法非常类似，只是顺序和电流的方向与底部平衡法相反。