電池管理系統(tǒng)(BMS)設(shè)計(jì)之高側(cè)與低側(cè)電池保護(hù)

BMS組成示意圖

圖中所示為億能BMS，采用主從結(jié)構(gòu)（Master-Slave），包含一個(gè)主控多個(gè)從控，每個(gè)從控最多管理60支電池。

主控與充電機(jī)、車輛控制器通過外部CAN總線通信，主控與手持設(shè)備通過RS232通信，主從之間通過內(nèi)部CAN總線級(jí)聯(lián)。

從控實(shí)現(xiàn)電壓采集、溫度采集、熱管理，主控兼顧電流測(cè)量、絕緣檢測(cè)以及與其他設(shè)備通信等功能。

高側(cè)與低側(cè)電池保護(hù)

設(shè)計(jì) BMS 時(shí)，重要的是要考慮電池保護(hù)斷路器的放置位置。通常，這些電路采用 N 溝道 MOSFET 實(shí)現(xiàn)，因?yàn)榕c P 溝道 MOSFET 相比，它們的內(nèi)阻較低。這些斷路器可以放置在高壓側(cè)（電池的正極端子）或低壓側(cè)（電池的負(fù)極端子）。

高側(cè)架構(gòu)確保接地 （GND） 始終得到良好參考，從而避免出現(xiàn)短路時(shí)出現(xiàn)潛在的安全和通信問題。此外，干凈、穩(wěn)定的 GND 連接有助于減少參考信號(hào)波動(dòng)，這對(duì)于 MCU 的精確操作至關(guān)重要。

然而，當(dāng) N 溝道 MOSFET 放置在電池正極端子時(shí)，驅(qū)動(dòng)它們的柵極需要高于電池組電壓的電壓，這使得設(shè)計(jì)過程更具挑戰(zhàn)性。因此，集成到 AFE 中的專用電荷泵通常用于高側(cè)架構(gòu)，這會(huì)增加總體成本和 IC 電流消耗。

對(duì)于低側(cè)配置，不需要電荷泵，因?yàn)楸Ｗo(hù) MOSFET 放置在電池的負(fù)極。然而，在低側(cè)配置中實(shí)現(xiàn)有效通信更加困難，因?yàn)楫?dāng)保護(hù)打開時(shí)沒有 GND 參考。

MP279x 系列采用高側(cè)架構(gòu)，可提供強(qiáng)大的保護(hù)，同時(shí)最大限度地減少 BOM。此外，高精度電荷泵控制可實(shí)現(xiàn) N 溝道 MOSFET 軟開啟功能，無需任何額外的預(yù)充電電路，從而進(jìn)一步最小化 BOM 尺寸和成本。軟開啟是通過緩慢增加保護(hù) FET 的柵極電壓來實(shí)現(xiàn)的，從而允許小電流流過保護(hù)以對(duì)負(fù)載進(jìn)行預(yù)充電（見圖 ）?？梢耘渲枚鄠€(gè)參數(shù)以確保安全轉(zhuǎn)換，例如最大允許電流或保護(hù) FET 關(guān)閉而不觸發(fā)故障的時(shí)間。

圖 ：MP279x 系列的軟啟動(dòng)方案

電池管理系統(tǒng)（BMS）設(shè)計(jì)中的高側(cè)與低側(cè)電池保護(hù)是確保電池安全、高效運(yùn)行的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。這兩種保護(hù)策略各自具有不同的特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì)，并在BMS設(shè)計(jì)中發(fā)揮著重要作用。

高側(cè)電池保護(hù)通常涉及將保護(hù)電路放置在電池的正極（高側(cè)）處。這種設(shè)計(jì)可以確保始終保持良好的接地（GND）參考，從而避免出現(xiàn)短路時(shí)的潛在安全和通信故障。然而，這種設(shè)計(jì)也面臨一些挑戰(zhàn)，例如當(dāng)N溝道MOSFET置于電池正極時(shí)，其柵極驅(qū)動(dòng)電壓需高于電池組電壓，這對(duì)設(shè)計(jì)提出了較高要求。為了解決這一問題，可以采用專用電荷泵集成到AFE中的方法，但這會(huì)增加總成本和IC電流消耗。

相比之下，低側(cè)電池保護(hù)將保護(hù)電路放置在電池的負(fù)極（低側(cè)）。這種配置不需要電荷泵，因此成本相對(duì)較低。然而，在低側(cè)配置中實(shí)現(xiàn)有效通信可能更加困難，因?yàn)樵诒Ｗo(hù)開啟時(shí)沒有GND參考。因此，在設(shè)計(jì)低側(cè)電池保護(hù)時(shí)，需要特別關(guān)注通信的穩(wěn)定性和可靠性。

無論采用高側(cè)還是低側(cè)電池保護(hù)策略，BMS設(shè)計(jì)的核心目標(biāo)都是確保電池的安全運(yùn)行和延長使用壽命。通過實(shí)時(shí)監(jiān)控電池的電壓、電流、溫度等狀態(tài)參數(shù)，BMS能夠及時(shí)發(fā)現(xiàn)潛在的安全隱患，并采取相應(yīng)的保護(hù)措施，如斷開充放電回路、發(fā)出告警等。

如何正確選擇BMS

正確選擇電池管理系統(tǒng)（BMS）需要考慮多個(gè)因素，包括電池類型、應(yīng)用場(chǎng)景、電池組的電壓和電流值、電池倍率等。以下是一些建議，以幫助您正確選擇BMS：

確定電池類型和規(guī)格：

根據(jù)您的應(yīng)用場(chǎng)景和需求，確定所需的電池類型（如鋰電池、鉛酸電池等）和規(guī)格（如容量、電壓等）。

確認(rèn)電池組電壓和電流值：

根據(jù)電池的單串電壓和電池的串?dāng)?shù)，計(jì)算出電池組的總電壓。不同類型的鋰電池，其標(biāo)壓是不同的，因此要確保選擇合適的保護(hù)板電壓。

電流值的選擇也十分重要。不同的應(yīng)用場(chǎng)景所需的鋰電池保護(hù)板電流不同，應(yīng)選擇有余量的保護(hù)板電流值。例如，兩輪電動(dòng)車通常選擇理論值的2倍以上，三輪電動(dòng)車選擇理論值的3倍以上。

考慮電池倍率：

電池的放電倍率會(huì)影響保護(hù)板的選擇。如果電池的放電倍率高于保護(hù)板的承受范圍，可能會(huì)造成電池的損傷。

評(píng)估BMS的功能和性能：

選擇BMS時(shí)，應(yīng)考慮其是否能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)電池組的狀態(tài)監(jiān)測(cè)、均衡控制、充放電控制等功能。

BMS還應(yīng)具備實(shí)時(shí)調(diào)整充放電策略的能力，以適應(yīng)不同的應(yīng)用場(chǎng)景和需求。

考慮兼容性和集成性：

確保所選BMS硬件與其他設(shè)備（如充電樁、電動(dòng)汽車等）的兼容性。

測(cè)試BMS系統(tǒng)與其他系統(tǒng)（如充電系統(tǒng)、整車控制系統(tǒng)等）的集成效果，以確保整體運(yùn)行的穩(wěn)定性和可靠性。

考慮安全性和可靠性：

評(píng)估BMS的安全性能，如防雷、防火等。

進(jìn)行可靠性測(cè)試，包括在各種環(huán)境下的模擬測(cè)試和長時(shí)間運(yùn)行測(cè)試，以確保BMS的穩(wěn)定性和可靠性。

參考相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范：

在選擇BMS時(shí)，可以參考相關(guān)國家標(biāo)準(zhǔn)和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，如GB/T《電動(dòng)汽車用電池管理系統(tǒng)技術(shù)要求及試驗(yàn)方法》等。

考慮成本和服務(wù)：

根據(jù)預(yù)算選擇合適的BMS產(chǎn)品，同時(shí)考慮供應(yīng)商的服務(wù)質(zhì)量和售后支持。

審核編輯：黃飛