电缆和连接器故障在 LAN（局域网）中比较常见。您可以使用图 1 中的电路 来测试直连或交叉链接 10BaseT、100BaseT 或千兆位 UTP（...
电池管理系统教程
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2024年01月26日 10:45 249
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当今的电子设备比以往任何时候都具有更高的移动性并且更加环保。电池的进步正在推动从便携式电动工具到插电式混合动力电动汽车和无线扬声器等各种产品的进步。近年来，电池的效率（就其可输出的功率而言）相对于尺寸和重量而言已显着提高。想想汽车电池有多重和庞大。其主要目的是启动汽车。随着最近的进步，您可以购买锂离子电池来快速启动您的汽车，而且它的重量只有几磅，只有您的手掌大小。
电池技术的持续变革促使许多新手学习设计电池管理系统。
本文提供了电池管理系统 (BMS) 架构的初学者指南，讨论了主要功能块，并解释了每个块对电池管理系统的重要性。
电池管理系统可以由许多功能块组成，包括：截止 FET、电量计监视器、电池电压监视器、电池电压平衡、实时时钟 (RTC)、温度监视器和状态机。有多种类型的电池管理 IC 可用。功能块的分组差异很大，从提供平衡和监控并需要微控制器 (MCU) 的简单模拟前端，到自主运行的独立、高度集成的解决方案。现在让我们来看看每个区块背后的目的和技术，以及技术的优缺点。
截止 FET 和 FET 驱动器
FET 驱动器功能块负责负载和充电器之间电池组的连接和隔离。FET 驱动器的行为取决于电池电压、电流测量和实时检测电路的测量结果。图 2A 和 2B 说明了负载和充电器以及电池组之间两种不同类型的 FET 连接。
FET 驱动器可设计为连接到电池组的高侧或低侧。高侧连接需要电荷泵驱动器来激活 NMOS FET。使用高侧驱动器可以为电路的其余部分提供可靠的接地参考。一些集成解决方案 3 Intersil 中采用低侧 FET 驱动器连接
来降低成本，因为不需要电荷泵。低侧连接不需要高压器件，因为高压器件会占用更大的芯片面积。在低侧使用截止 FET 会使电池组的接地连接浮动，使其更容易受到测量中注入的噪声的影响，从而影响某些 IC 的性能。
电池电压和最大限度地延长电池寿命
监测电池组内每个电池的电压对于确定其整体健康状况至关重要。所有电池都有一个工作电压窗口，应进行充电和放电，以确保正常运行和电池寿命。如果应用使用锂化学电池，则工作电压通常在 2.5V 到 4.2V 之间。电压范围取决于化学成分。在电压范围之外操作电池会??显着缩短电池的使用寿命，并可能导致电池失效。
电池串联和并联连接形成电池组。并联增加了电池组的电流驱动，而串联则增加了整体电压。电池电压就像所有制造出来的东西一样。电池的性能具有分布：在时间为零时，电池组内的电池充电和放电速率相同。当每个电池在充电和放电之间循环时，每个电池充电和放电的速率会发生变化，从而导致分布分布
穿过电池组。确定电池组是否已充电的一种简单方法是监控每个电池的电压是否达到设定的电压水平。第一个达到电压限制的电池电压会触发电池组充电限制。如果电池组的电池电量比平均电池电量低，这将导致最弱的电池电量首先达到极限，而其余电池电量未充满。所描述的充电方案并没有最大化电池组每次充电的开启时间。该充电方案还会缩短电池组的使用寿命，因为需要更多的充电和放电循环。较弱的电池放电速度较快。放电周期也会发生相同类型的情况。较弱的电池首先达到放电极限，使其余电池保持剩余电量。
通过实施电荷置换方案，可以在放电周期上平衡电池组。电荷置换方案是通过电感耦合或电容存储从阿尔法电池获取电荷并将存储的电荷注入最弱的电池来实现的。这减慢了最弱电池达到放电极限所需的时间。这称为主动平衡（参见图 3B）。
具有一到四个并联电池和三个或更多串联电池的电池组从平衡中获益最多。随着每个单元的并联组合增加，弱单元的性能与其他并联单元的性能进行平均。单元之间的性能分布更紧密。并联更多电池的好处也有弊端，因为很难在电池组中找到较弱的电池。由于较强的电池支撑较弱的电池，闲置的电池组可能会消耗电量。
电池电压和平衡电路受到热插拔事件的最严酷对待。电池上没有关闭按钮。将电路连接到电池、负载或充电器可能会导致设备输入处出现较大的瞬变。设计人员应了解敏感引脚的最大额定值。引脚的最大额定电压是确定瞬态事件损坏电路的可能性的关键指标。经验法则是引脚的额定电压越高，该部件抑制瞬变的能力就越强。
采用高压工艺进行设计的 IC 制造商可确保设备免受瞬态事件的影响，但代价是采用大尺寸设计。这增加了设备的成本。其他 IC 制造商将采用低电压工艺进行设计，并将器件堆叠起来，以使器件永远不会超过工艺额定值。这种方法依赖于电容器、电阻器和二极管等电路来在瞬变到达引脚之前对其进行抑制。两种制造类型都需要使用二极管、电阻器和电容器来抑制瞬态。使用额定电压高的 IC 可以进一步增强对有害和外来信号的保护。两种设计方法都可以工作，但额定电压较低的设备可能需要在开发阶段进行更多调整，以确保免受有害事件的影响。
电压电池测量的采集时间取决于负载行为以及要扫描的电池数量。行为不稳定的负载需要快速扫描时间来监控单元的越界情况。SAR ADC 通常用于在短时间内实现快速测量。SAR ADC 消耗更多功率且分辨率较低。
温度监测
如今的电池在保持恒定电压的同时提供大量电流，这可能会导致失控状态，从而导致电池着火。用于制造电池的化学物质具有高度挥发性，电池被正确的物体刺穿可能会导致电池着火。温度测量不仅用于安全条件，还可以用于确定是否需要对电池充电或放电。
温度传感器监控能量存储系统 (ESS) 应用的每个电池或用于更小、更便携的应用的一组电池。由内部 ADC 电压基准供电的热敏电阻通常用于监控每个电路的温度。内部参考电压用于减少温度读数相对于环境温度变化的误差。
状态机或算法
大多数电池管理系统需要 MCU 或 FPGA 来管理来自传感电路的信息并根据接收到的信息做出决策。在一些选定的产品中，例如 Intersil 的 ISL94203，算法经过编码，具有一定的可编程性，可以??通过一个芯片以数字方式实现独立的解决方案。与 MCU 配合使用时，独立解决方案也很有价值，因为独立解决方案中的状态机可用于释放 MCU 时钟周期和内存空间。
其他电池管理系统构建块
其他 BMS 功能块包括电池认证、实时时钟、存储器和菊花链。实时时钟和存储器用于黑匣子应用，其中RTC用于时间戳，存储器用于存储数据，使用户能够在灾难性事件发生之前了解电池组的行为。电池认证块可防止 BMS 电子设备连接到第三方电池组。电压基准/调节器用于为 BMS 系统周围的外围电路供电。最后，菊花链电路用于简化堆叠设备之间的连接。菊花链模块取代了对光耦合器或其他电平转换电路的需求
电池技术的持续变革促使许多新手学习设计电池管理系统。
本文提供了电池管理系统 (BMS) 架构的初学者指南，讨论了主要功能块，并解释了每个块对电池管理系统的重要性。
图 1 电池管理系统构建模块的简化图
电池管理系统的构建模块电池管理系统可以由许多功能块组成，包括：截止 FET、电量计监视器、电池电压监视器、电池电压平衡、实时时钟 (RTC)、温度监视器和状态机。有多种类型的电池管理 IC 可用。功能块的分组差异很大，从提供平衡和监控并需要微控制器 (MCU) 的简单模拟前端，到自主运行的独立、高度集成的解决方案。现在让我们来看看每个区块背后的目的和技术，以及技术的优缺点。
截止 FET 和 FET 驱动器
FET 驱动器功能块负责负载和充电器之间电池组的连接和隔离。FET 驱动器的行为取决于电池电压、电流测量和实时检测电路的测量结果。图 2A 和 2B 说明了负载和充电器以及电池组之间两种不同类型的 FET 连接。
图 2 截止 FET 示意图或 (A) 负载和充电器的单一连接；(B) 允许同时充电和放电的两个端子连接
图 2A 需要最少数量的电池组连接，并将电池组工作模式限制为充电、放电或睡眠。电流方向和特定实时测试的行为决定了设备的状态。例如，Intersil 的 ISL94203 独立电池组监视器具有 CHMON 输入，用于监视截止 FET 右侧的电压。如果连接了充电器并且电池组与充电器隔离，则注入电池组的电流将导致电压升至充电器的最大供电电压。CHMON 的电压电平被触发，让 BMS 设备知道充电器存在。通过将电流注入负载以确定负载是否存在来确定负载连接。如果注入电流时引脚电压没有明显升高，结果确定负载是否存在。然后 FET 驱动器的 DFET 开启。图 2B 的连接方案允许电池组在充电时运行。FET 驱动器可设计为连接到电池组的高侧或低侧。高侧连接需要电荷泵驱动器来激活 NMOS FET。使用高侧驱动器可以为电路的其余部分提供可靠的接地参考。一些集成解决方案 3 Intersil 中采用低侧 FET 驱动器连接
来降低成本，因为不需要电荷泵。低侧连接不需要高压器件，因为高压器件会占用更大的芯片面积。在低侧使用截止 FET 会使电池组的接地连接浮动，使其更容易受到测量中注入的噪声的影响，从而影响某些 IC 的性能。
电池电压和最大限度地延长电池寿命
监测电池组内每个电池的电压对于确定其整体健康状况至关重要。所有电池都有一个工作电压窗口，应进行充电和放电，以确保正常运行和电池寿命。如果应用使用锂化学电池，则工作电压通常在 2.5V 到 4.2V 之间。电压范围取决于化学成分。在电压范围之外操作电池会??显着缩短电池的使用寿命，并可能导致电池失效。
电池串联和并联连接形成电池组。并联增加了电池组的电流驱动，而串联则增加了整体电压。电池电压就像所有制造出来的东西一样。电池的性能具有分布：在时间为零时，电池组内的电池充电和放电速率相同。当每个电池在充电和放电之间循环时，每个电池充电和放电的速率会发生变化，从而导致分布分布
穿过电池组。确定电池组是否已充电的一种简单方法是监控每个电池的电压是否达到设定的电压水平。第一个达到电压限制的电池电压会触发电池组充电限制。如果电池组的电池电量比平均电池电量低，这将导致最弱的电池电量首先达到极限，而其余电池电量未充满。所描述的充电方案并没有最大化电池组每次充电的开启时间。该充电方案还会缩短电池组的使用寿命，因为需要更多的充电和放电循环。较弱的电池放电速度较快。放电周期也会发生相同类型的情况。较弱的电池首先达到放电极限，使其余电池保持剩余电量。
图 3 不同类型的电池平衡 (A) 旁路电池平衡 FET 用于降低充电周期期间电池的充电速率；(B) 在放电周期期间使用主动平衡从强电池窃取电荷并将电荷提供给弱电池
有两种方法可以提高电池组每次充电的开启时间。第一个是在充电周期中减慢对最弱电池的充电速度。这是通过在电池上连接旁路 FET 和限流电阻来实现的（见图 3A）。这会消耗电流最高的电池的电流，导致电池充电速度减慢，从而使电池组中的其他电池能够赶上。最终目标是最大化电池组的充电容量，这是通过让所有电池同时达到完全充电极限来实现的。通过实施电荷置换方案，可以在放电周期上平衡电池组。电荷置换方案是通过电感耦合或电容存储从阿尔法电池获取电荷并将存储的电荷注入最弱的电池来实现的。这减慢了最弱电池达到放电极限所需的时间。这称为主动平衡（参见图 3B）。
具有一到四个并联电池和三个或更多串联电池的电池组从平衡中获益最多。随着每个单元的并联组合增加，弱单元的性能与其他并联单元的性能进行平均。单元之间的性能分布更紧密。并联更多电池的好处也有弊端，因为很难在电池组中找到较弱的电池。由于较强的电池支撑较弱的电池，闲置的电池组可能会消耗电量。
电池电压和平衡电路受到热插拔事件的最严酷对待。电池上没有关闭按钮。将电路连接到电池、负载或充电器可能会导致设备输入处出现较大的瞬变。设计人员应了解敏感引脚的最大额定值。引脚的最大额定电压是确定瞬态事件损坏电路的可能性的关键指标。经验法则是引脚的额定电压越高，该部件抑制瞬变的能力就越强。
采用高压工艺进行设计的 IC 制造商可确保设备免受瞬态事件的影响，但代价是采用大尺寸设计。这增加了设备的成本。其他 IC 制造商将采用低电压工艺进行设计，并将器件堆叠起来，以使器件永远不会超过工艺额定值。这种方法依赖于电容器、电阻器和二极管等电路来在瞬变到达引脚之前对其进行抑制。两种制造类型都需要使用二极管、电阻器和电容器来抑制瞬态。使用额定电压高的 IC 可以进一步增强对有害和外来信号的保护。两种设计方法都可以工作，但额定电压较低的设备可能需要在开发阶段进行更多调整，以确保免受有害事件的影响。
电压电池测量的采集时间取决于负载行为以及要扫描的电池数量。行为不稳定的负载需要快速扫描时间来监控单元的越界情况。SAR ADC 通常用于在短时间内实现快速测量。SAR ADC 消耗更多功率且分辨率较低。
温度监测
如今的电池在保持恒定电压的同时提供大量电流，这可能会导致失控状态，从而导致电池着火。用于制造电池的化学物质具有高度挥发性，电池被正确的物体刺穿可能会导致电池着火。温度测量不仅用于安全条件，还可以用于确定是否需要对电池充电或放电。
温度传感器监控能量存储系统 (ESS) 应用的每个电池或用于更小、更便携的应用的一组电池。由内部 ADC 电压基准供电的热敏电阻通常用于监控每个电路的温度。内部参考电压用于减少温度读数相对于环境温度变化的误差。
状态机或算法
大多数电池管理系统需要 MCU 或 FPGA 来管理来自传感电路的信息并根据接收到的信息做出决策。在一些选定的产品中，例如 Intersil 的 ISL94203，算法经过编码，具有一定的可编程性，可以??通过一个芯片以数字方式实现独立的解决方案。与 MCU 配合使用时，独立解决方案也很有价值，因为独立解决方案中的状态机可用于释放 MCU 时钟周期和内存空间。
其他电池管理系统构建块
其他 BMS 功能块包括电池认证、实时时钟、存储器和菊花链。实时时钟和存储器用于黑匣子应用，其中RTC用于时间戳，存储器用于存储数据，使用户能够在灾难性事件发生之前了解电池组的行为。电池认证块可防止 BMS 电子设备连接到第三方电池组。电压基准/调节器用于为 BMS 系统周围的外围电路供电。最后，菊花链电路用于简化堆叠设备之间的连接。菊花链模块取代了对光耦合器或其他电平转换电路的需求
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