電池管理系統的組成及工作原理

　　電池管理系統

　　電池管理系統（BATTERY MANAGEMENT SYSTEM），電動汽車電池管理系統（BMS）是連接車載動力電池和電動汽車的重要紐帶，其主要功能包括：電池物理參數實時監測；電池狀態估計；在線診斷與預警；充、放電與預充控制；均衡管理和熱管理等。

　　二次電池存在下面的一些缺點，如存儲能量少、壽命短、串並聯使用問題、使用安全性、電池電量估算困難等。電池的性能是很複雜的，不同類型的電池特性亦相差很大。 電池管理系統（BMS）主要就是為了能夠提高電池的利用率，防止電池出現過充電和過放電，延長電池的使用壽命，監控電池的狀態。隨著電池管理系統的發展，也會增添其它的功能。

　　電池管理系統構成及原理：

　　電池管理系統（BMS），即BatteryManagementSystem，通過檢測動力電池組中各單體電池的狀態來確定整個電池系統的狀態，並根據它們的狀態對動力電池系統進行對應的控制調整和策略實施，實現對動力電池系統及各單體的充放電管理以保證動力電池系統安全穩定地運行。

　　典型電池管理系統拓撲圖結構主要分為主控模塊和從控模塊兩大塊。具體來說，由中央處理單元（主控模塊）、數據採集模塊、數據檢測模塊、顯示單元模塊、控制部件（熔斷裝置、繼電器）等構成。一般通過採用內部CAN總線技術實現模塊之間的數據信息通訊。

　　基於各個模塊的功能，BMS能實時檢測動力電池的電壓、電流、溫度等參數，實現對動力電池進行熱管理、均衡管理、高壓及絕緣檢測等，並且能夠計算動力電池剩餘容量、充放電功率以及SOC&SOH狀態。

　　

　　怎樣構成電池管理系統

　　為一個新的和基於電池的電源系統設計監視器電路，那麼你會採取什麼策略來優化該設計的成本和可製造性呢？ 最初考慮的問題將是確定系統的首選結構以及電池和有關電子組件的位置。基本結構清楚以後，接下來必須考慮的一個問題是，電路拓撲的權衡協調問題，例如，怎樣優化最終產品的通信和互連。

　　電池的外形尺寸將對電源系統結構有重大影響。要使用大量小型電池以適合形狀複雜的電池模塊 （或電池組） 嗎？ 或者要使用外形尺寸很大的電池，因而由於重量問題而導致對電池數量的限制或引起其他的尺寸限制？這也許是設計變數最大的部分，因為外形新穎的電池不斷上市，而且人們也在不斷努力，務求電池模塊或電池組集成到產品中後，會與整個產品概念更加一致。例如，在汽車設計情況下，電池最終也許分散在車輛上的某些空間中，這些空間如果不放電池，利用效率很低。

　　另一個考慮因素是，電池 （或模塊化電池組）、電池管理系統 （或其子系統） 以及最終應用接口之間的測試信號和 / 或遙測信號的互連。在大多數情況下，可以做一個外殼，用來集成電池模塊或電池組中的某些數據採集電路，以便如果需要調換，那麼生產 ID、校準、使用規格等重要信息能隨著可替換組件帶走。這類信息對電池管理系統 （BMS） 或維修設備可能有用，而且最大限度地減少了線束中所需的高壓額定值導線的數量。

　　

　　（a）集中式架構 （b）分布式架構

　　圖 1：不同的電池監視拓撲

　　接下來，就給定的機械概念設計而言，監視硬體拓撲由精確定義的、所需支持的電池數量決定。在汽車應用中，一般情況下總共會有 100 個以上的電池測量點，而且系統的模塊化將決定一個給定的電路系統測量多少個電池。最常見的情況是，以安全斷接「維修插頭」方式，將所有電池分成至少兩個子組。

　　通過在故障情況下保持電壓低於 200V，這種方法最大限度地降低了維修人員可能遇到的觸電危險。外形尺寸較大的電池組意味著，要採用兩套隔離的數據採集系統，每套也許支持 50 個電池分接頭。在有些情況下，所有電子組件都在一個經濟實惠的印刷電路板上，但是這需要大量互連，如圖 1 （a） 所示。或者，電子組件也可以分散放置，更加緊密地集成在電池模塊中，但是這需要採用遙測連結方法。為了實現可靠的數據完整性，內置於汽車線束中的遠端測量功能電路必須採用一種堅固型協議，例如廣泛使用的 CAN 總線。

　　儘管真正的 CAN 總線接口涉及幾個網絡層，但是可以很方便地採用 PHY 層構成 BMS LAN 結構，以高效率地進行模塊內的通信。這類分布式結構如圖 1 （b） 所示。該拓撲允許在幾個小型處理器之間分配計算工作量，從而降低所需的數據傳輸速率，並減輕 LAN 方法可能引起的 EMI 問題。最終的 BMS 應用接口很可能是至一個主系統管理處理器的 CAN 總線接線，而且將需要定義 （或在一開始規定） 特定的信息事務處理。

　　其他因素也可能對物理結構和監視電路造成影響。就鋰離子電池而言，需要電池容量平衡，從而導致了額外的熱量管理問題 （去除熱量），而且如果需要有源平衡，還需要電源轉換電路。溫度探頭常常分布在整個模塊之上，以提供一種將電壓讀數與充電狀態關聯起來的方法，因而需要一些支持電路和連接方案。設計時一個常常忽視的考慮因素是，當產品安裝之前閒置或儲存在貨架上時，電池的電量洩漏應該是最低的。在有些情況下，額外的控制配線是必要的。

　　在上面實現的這些結構中，都有一個常見的測量功能構件，該構件包括一個多通道 ADC、安全隔離勢壘和某種程度的本地處理能力。圖 2 電路顯示了一個實現數據採集功能的可擴展設計平臺。在這個圖中，實現功能的核心組件是凌力爾特的 LTC6803 電池組監視器 IC，同時顯示的還有一個 SPI 數據隔離器和一些可選的特殊用途電路。該電路包括輸入濾波器和無源平衡功能，構成了一個完整的 12 節電池數據採集解決方案。如果需要，這類電路可以簡單地複製，以支持更多電池測量方案，同時共享主微控制器的本地 SPI 埠，該主微控制器反過來再提供外部 CAN 總線或其他 LAN 型數據鏈路所需。

　　與前一代監視器件相比，LTC6803 的主要改進是，支持電源停機和/或單獨由電池組供電。當電源從 V+ 引腳去掉時，電池加載將降至零 （僅有 nA 級半導體洩漏）。工作電源可以由接通的電池組電壓提供，或從一個單獨的電源提供給 V+，只要電壓始終至少與電池組一樣高就行。為了實現簡單性，LTC6803 還可以直接從電池組獲取功率，在這種情況下，最低功率狀態 （即備用） 將僅消耗 12uA 電流。LTM2883 數據隔離器通過一個內部隔離的 DC-DC 轉換器，從主處理器供電，因此該器件將自動與主處理器一起斷電。LTM2883 的一個非常有用的功能是，它還能向隔離的電子組件 （即電池端） 提供很大和得自主機的功率。一個小型升壓電源功能組件 （圖 2 中的 LT3495-1） 就是這樣驅動的，以獨立地給 LTC6803 供電，以便電池僅提供 ADC 測量輸入電流 （即在有效轉換時平均值 《200nA）。該電路具有絕對最低的寄生電池洩漏，同時消除了任何電池的工作電流失配，否則這種失配可能逐步導致電池容量失衡。

　　LTC6803 的一個方便的功能是，有兩個自由的、準確度與電池輸入類似的 ADC 輸入。這種方便的功能允許用很少的額外電路進行輔助測量，包括溫度、校準信號或負載電流測量。一種尤其有用的測量是，用一個門控電阻分壓器測量整個電池組的電壓，實現方法如圖 2 所示 （採用 12:1 的比例，連接到 VTEMP1 輸入）。當電路斷電時，相關的 FET 斷開，這樣對電流的測量就不會不必要地加重電池的負擔。既然該埠的濾波可以獨立於電池輸入來定製，那麼為了實現精確的充電電流計算所需的、真正高達 200sps 的奈奎斯特 （Nyquist） 採樣率是可能的。可以利用對單個電池測量來周期性地對整個電池組的分壓器提供軟體校準，這樣就不需要價格昂貴的電阻器了。輔助輸入的另一個非常有用的用法是，測量準確度很高的校準電源 （諸如凌力爾特的 LT6655-3.3，一個準確度為 0.025% 的基準），在這種用法中，允許軟體憑藉通道至通道的固有匹配，校正其他所有通道。請注意，熱敏電阻器的溫度探頭不必以電池的電位為基準，這些探頭一般也不需要 12 位的解析度。這類探頭通常適用於直接與微控制器連接，從而留出高性能 LTC6803 的輔助輸入，以實現要求更加苛刻的功能。

　　

　　圖 2：完整的 12 節電池隔離型 BMS 測量功能

　　總之，在電池管理系統電路中需要考慮的因素有很多，特別是那些決定封裝限制的因素。當封裝設計思想匯聚在一起時，考慮一下也有可能產生機械影響的電子線路與信息流的結構 （例如：連接器化和導線數目） 同樣也是很重要。一旦權衡過這些因素而且封裝設計思想成熟之後，只需直接插入一款採用 LTC6803 平臺，一個聲名卓著、可擴展和具成本效益的數據採集解決方案便大功告成了。

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