电池管理系统 (BMS) :电源管理、模拟信号链与数字微控制器的完美...
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发布时间：2024-09-27 03:26
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现今的电子设备，无论大小，都依赖于锂离子或聚合物电池供电。电池组由多个电池单元（电芯）组成，用于确保设备的安全供电，电池管理系统 (BMS) 的功能便是实现这一目标。BMS 能够实时监控、控制并分配整个电池系统在使用寿命期间的可靠充电和放电。精确监控电流和电压分布至关重要，以防电池过度充电导致的安全风险，如火灾或爆炸，以及充电不足或完全放电导致的电池失效。优质的 BMS 能够最大化延长电池使用寿命，进而降低总拥有成本。
BMS 由电池管理芯片（BMIC）、模拟前端（AFE）、嵌入式微处理器以及嵌入式软件等组成。它能根据实时采集的电芯状态数据，通过特定算法来实现电池组的电压保护、温度保护、短路保护、过流保护、绝缘保护等功能，并实现电芯间的电压平衡管理和对外数据通讯。
在 BMS 中，电池管理芯片（BMIC）是核心组件之一，包括充电管理芯片、电池计量芯片和电池安全芯片。充电管理芯片负责将外部电源转换为适合电芯的充电电压和电流，实时监测电芯的充电状态，确保安全、高效的充电过程。根据锂电池特性，它能自动进行预充、恒流充电、恒压充电，有效控制各个阶段的充电状态。充电管理芯片可分为开关模式、线性模式和开关电容模式，其中开关模式适用于大电流应用，线性模式适用于小功率便携产品，而开关电容模式在效率方面表现优异。
电池计量芯片（电量计IC）用于采集电芯电压、温度、电流等信息，通过库仑积分和电池建模计算电池电量、健康度等信息，并通过 I2C/SMBUS/HDQ 等通信端口与外部主机通信。电量计IC 与电池保护IC 可以分立或集成，其中一级保护IC 控制充、放电 MOSFET，实现安全事件发生时的断开充放电开关，安全事件解除后恢复闭合开关，确保电池安全使用。
硬件、算法和固件是电量计芯片的三大核心要素，用于实现高精度采样和低功耗运行、电池建模以及算法编程和输出容量信息。选择电量计芯片时，需考虑电芯化学类型、电芯串联数目、通信接口、电量计的位置、电量计算法、集成的电池保护均衡功能、支持的充放电电流大小、存储介质和封装形式。
相比 System-side 电量计，Pack-side 电量计芯片在准确性、成本、项目开发周期和数据管理等方面具有优势。Pack-side 电量计直接采样电芯电压，电压更准确，有利于提高电量计量、充电和保护精度，且采用可集成加密认证算法的电量计，综合成本更低。Pack-side 电池保护板的电压、电流、温度校准更易，项目开发周期更短，面对可插拔电池时 RAM 数据不丢失，数据更准确。
电池计量芯片属数模混合信号芯片，核心技术体现在计量精度、管理电池串数、平台电压、功耗水平等方面，通常需要配合嵌入式微控制器（MCU）实现电量计功能。
嵌入式处理器是系统核心，通过软硬件无缝结合，灵活实现电池状态监测、计量、控制、通讯等功能，简化系统设计，提高集成度和可靠性。
BMS 应用广泛，从基础消费类应用到通信基站、电动汽车、光伏备用电源、军事装备等工业应用。其中，电动汽车产业的快速发展推动了 BMS 的快速增长。BMS 芯片方案围绕电池管理IC构建，集成低功耗 MCU 和高性能模拟前端（AFE），并提供开发工具支持安全可靠的锂电池管理系统开发。
汽车动力电池BMS 需要处理电芯、碰撞、CAN、水泵、高压、绝缘等信号，对可靠性及稳定性要求更高。BMS 涉及多项核心技术，包括电池温度与电压电流采集、SOX 估算、充电控制、热管理、继电器诊断、高压安全、故障诊断等。汽车 BMS 的系统结构分为集中式、分布式、半集中式结构，分布式管理架构可应用于多种车型电池包，有望助力新能源汽车持续发展。
随着技术进步，市场上出现了有线 BMS 和无线 BMS 两种方案。无线 BMS 解决方案使用无线通信接口传输数据，实现电池数据和控制命令的无线化传输。
汽车 BMS 包括主动均衡、AFE、MCU、隔离电路等关键硬件电路。MCU 需要满足 AEC-Q100、ISO26262 等认证，负责继电器控制、SOC/SOH 估计、均衡控制、电芯电压、电流、温度数据收集、数据存储等任务。隔离器件实现高低压模块间的电气隔离，保证信号传输的安全性。
随着汽车四化的发展，BMS 功能从简单的充放电保护扩展到脉冲放电平稳、多电芯平衡管理等，BMS 从“保护型 BMS”向“智能型 BMS”转变。
