华太电子BMS AFE芯片应用中的常见问题解答

引言

‍‍‍‍‍ BMS AFE芯片作为电池管理系统的核心器件，在电池管理系统中承担着重要角色。

华太电子拟对BMS AFE的常见问题做一些解答，全文分两期，本期问答主要涵盖BMS AFE应用中的常见问题，比如量测功能、高边/低边驱动、电压采集、电流采集、被动均衡、实时保护等。下期主要讲解电池安全相关内容：电池健康在线实时检测和其他高阶保护功能等。‍‍‍‍‍

Q1 BMS AFE主要提供哪些测量功能？  

在BMS的使用中，AFE主要实现以下测量功能：

电芯（CELL）电压采集

电池组总电压（BAT+）采集

电池包总电压（PACK+）采集

使用NTC电阻对电芯温度和放电MOSFET的温度采集

电池充放电的电流采集

通过对上述状态的检测，电池管理系统可以完成电池的荷电状态（简称SoC）和电池健康状态（简称SoH）的计算，并为电池系统的安全运行提供决策依据.

Q2 AFE芯片的高边和低边驱动指的是什么，有什么区别？

首先，并不是所有AFE芯片都具备高低边驱动电路，部分AFE芯片仅提供电压、电流和温度测量。AFE通过获取电池的电压、电流和温度信息来做出判断，并通过其他芯片完成系统的充放电控制。接下来重点描述高低边驱动的差别。

高边驱动：

在充放电过程中，通过MOSFET或继电器来控制PACK+与BAT+之间的通路，实现充放电路径的使能或关闭。

集成高边驱动的AFE芯片

优点：

即使主回路断开，负极仍然连接，因此系统可以通过辅助电源获取供电继续工作，并且可以通过非隔离的接口与电池组进行通信。可以节省了由于地断开之后，独立隔离电源和隔离接口成本。同时，由于地回路常在，即使主回路断开，当系统进行调试时候，不会因为调试设备连接，造成风险。

缺点：

由于充放电主回路使用N型MOSFET，驱动N型MOSFET需要比电池电压更高的驱动电压，因此需要电荷泵才能打开，需要AFE芯片内部集成高性能电荷泵芯片。

低边驱动：

在BAT-与Pack-之间增加MOSFET或继电器，实现充放电使能或关闭。

集成低边驱动的AFE芯片

优点：

设计简单，因为N型MOSFET开启只需要比GND更高的电压，而不需要额外的升压驱动电路。

缺点：

由于负极在切断后，控制系统与电池之间的地断开，因此无论是电源还是通信都需要隔离，增加了设计成本。此外，如果在调试或使用中出现异常接地，可能会形成意外的导通，带来一定的风险。

同时需要注意的是，在系统应用中，不论是高边还是低边，使用MOSFET时的耐压没有本质区别，因为在短路情况下，MOSFET两侧都会有从电池正极到地的电压。在更高功能安全系统中，可能会同时控制高边和低边，在单侧故障无法关断时，可以关断另一侧，从而降低系统不安全风险。

Q3 BMS的Cell引脚提供哪些功能？

BMS的每个Cell引脚虽然只有2个或3个引脚，但其提供的功能却非常丰富。

电压采集：

这些引脚通过连接电芯的正负端，直接对电芯电压进行采样。为了防止采样过程中的干扰，通常在电芯和测量端之间安装串联电阻和并联电容进行滤波。电阻和电容除了滤波作用外，还可以抑制电池引线上的浪涌电压和电流，从而保护AFE芯片。然而，电阻和电容的参数并不是越大越好，过大的RC会影响采样的建立时间，因为AFE的采样大部分是通过内部开关轮询，过大的RC会降低采样速度，或者引起采样误差。

实时检测：

Cell引脚连接到内部的比较器可以提供硬件保护功能，在出现电芯的过压或欠压时，AFE可以触发保护，从而关断充放电的MOSFET、继电器或三端EFUSE器件，确保电芯在安全区间内使用。

被动均衡：

除了电压采集和保护外，Cell引脚还连接到内部的被动均衡MOSFET，在满足条件后可以开启均衡。有些AFE设置独立的均衡引脚，有些仅利用Cell的两个引脚来实现均衡。设置独立均衡引脚的优点是可以单独设置采样滤波电阻和均衡电阻，不会形成耦合，但会占用独立引脚且需要更多的外围电阻。

断线检测：

AFE通常开启内部的恒流源进行断线检测功能。如果电芯和AFE之间的连接断开，恒流源会把并联电容上的电荷泄放，从而使Cell端口电压快速下降。如果电芯和测量引脚处于连接状态，端口电压将保持稳定。

Q4 BMS AFE芯片为什么要进行电流测量？

电流作为电池管理系统的重要参数，对于电池SoC的估计非常关键，特别是对于磷酸铁锂电池，由于电压平台比较平坦，单独利用电压平台较难准确计算SoC的信息。通过电流检测，结合卡尔曼滤波算法，可以更准确地获取SoC的信息。

库仑计功能：

除了单独电流检测，部分AFE可以利用精确的电流检测及库仑计功能，对充放电电荷进行连续累计。即使在主控MCU不干预的情况下，仍然可以获取系统充放电电荷的信息。高精度和高速度采样对于准确计算电池包的电量非常重要。高精度可以对于电荷测试更加准确，高速度能够采集到负载变化时的峰值和谷值，从而提高积分颗粒度，使电荷计算更加准确。

实时保护：

除了ADC测量外，电流通道还配置快速比较器模块。一旦出现充电过流、放电过流或短路情况，AFE的逻辑控制电路可以快速关闭充电或放电的MOSFET或继电器，从而保护电池包和负载。

总结

华太电子高集成的BMS AFE芯片，包含了电芯电压、电池总压、电池包总压、芯片和外部NTC温度以及电流的测量，上述状态会被比较器实时监控。在AFE芯片Cell端可以实现内部均衡和断线检测，在电池Pack端可以实现充电器插入及负载移除的检测。同时，内部集成了高驱动能力电荷泵及高边充放电驱动电路，充放电与保护检测可以根据用户配置实现联动。考虑多芯片级联使用场景，AFE 芯片也兼容低边驱动设计。除了基本测量和保护之外，华太电子BMS AFE还提供了阻抗测量和高阶保护功能，我们会在下期文章中进行详细的描述。

我们会持续针对BMS AFE芯片使用中的常见问题进行总结，与客户一起快速开发出高性能的电池管理系统。