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隨著新能源汽車的飛速發展，BMS的應用已經變得司空見慣。BMS負責監控和保護電池， 防止可能損害電池、車輛、用戶或周圍環境的情況。BMS 還負責提供準確的SoC和SoH估算，以確保在電池的整個生命周期內盡量降低電池性能以及容量的衰減，保證用戶的駕車體驗。 BMS的主要結構通常由三個 IC 組成：模擬前端 (AFE)、微控制器 (MCU) 和電量計（如圖 1）。電量計可以是獨立的 IC，也可以嵌入在 MCU 中。MCU 是 BMS 的核心元件，在與系統其余部分連接的同時，也從AFE 和電量計獲取信息。
圖1 BMS 架構框圖 AFE 為MCU和電量計提供電芯和模組的電壓、溫度和電流等信息。由于AFE在物理上離電池最近，AFE還可以控制斷路器，如果觸發任何故障，斷路器會將電池與系統的其余部分斷開。 電量計 IC 從 AFE 獲取電芯信息，然后使用復雜的電池建模和高級算法來估計關鍵參數，例如 SoC 和 SoH。電量計功能可以通過 MCU來實現，但是使用專用電量計 IC 有幾個優點：
提高SoC和SoH精度 設計高精度的BMS的主要目標是為電池組的 SoC和SoH提供精確計算。BMS 設計人員可能認為實現這一目標的唯一方法是使用精度更高AFE，但這只是整體計算精度的一個因素。最重要的因素是電量計電池模型和電量計算算法，其次是AFE為電池電阻計算提供同步電壓-電流讀數的能力。 電量計通過分析算法實時計算的信息與存儲在其內存中的特定電池模型的關系，將電壓、電流和溫度測量值轉換為 SoC 和 SoH 輸出。電池模型是通過在不同溫度、容量和負載條件下對電池進行表征來生成的，以數學方式定義其開路電壓以及電阻和電容組件。該模型使電量計的算法能夠根據這些參數在不同運行條件下的變化情況來計算最佳 SoC。因此，如果電量計的電池模型或算法不準確，則無論 AFE 進行測量的精度如何，計算結果都是不準確的。 電壓電流同步讀數 盡管幾乎所有 AFE 都為電壓和電流提供不同的 ADC，但并非所有 AFE 都為每個電池提供實際的同步電流和電壓測量。這一稱為電壓-電流同步讀數的功能使電量計能夠準確估計電池的等效串聯電阻 (ESR)。由于 ESR 會隨著不同的操作條件和時間而變化，因此實時估計 ESR 可以實現更準確的 SoC 估計。 圖 2顯示了同步讀取的與沒有同步讀取的誤差對比。  圖 2有和沒有同步讀取的 SoC 誤差比較 AFE 直接故障控制 如前所述，AFE 在 BMS 中扮演的最重要的角色是保護管理。AFE 可以直接控制保護電路，在檢測到故障時保護系統和電池。一些系統在 MCU 中實現故障控制，但這會導致更長的響應時間并需要 MCU 提供更多資源，從而增加固件的復雜性。 高級 AFE 使用其 ADC 讀數和用戶配置來檢測任何故障情況。AFE 通過打開保護 MOSFET 對故障做出反應，以確保真正的硬件保護。通過這種方式，MCU 可以作為二級保護機制，以獲得更高的安全性和魯棒性。 高低壓測的電池保護 在設計 BMS 時，重要的是要考慮電池保護斷路器的放置位置。通常，這些電路使用 N 溝道 MOSFET 實現，因為它們與 P 溝道 MOSFET 相比具有更低的內阻。這些斷路器可以放置在高壓側（電池的正極端子）或低壓側（電池的負極端子）。 高側架構確保可以確保良好的接地 (GND)，從而避免出現短路時的潛在安全和通信問題。此外干凈、穩定的 GND 連接有助于減少參考信號波動，這是 MCU精確操作的關鍵。 然而，當 N 溝道 MOSFET 置于電池正極時，驅動其柵極需要高于電池組的電壓，這使得設計過程更具挑戰性。因此，集成到 AFE 中的專用電荷泵通常用于高端架構，這會增加總體成本和 IC 電流消耗。 對于低端配置，電荷泵不是必需的，但是低壓側配置中實現有效通信更加困難，因為當保護打開時沒有 GND 參考。 電池平衡以延長電池壽命 動力電池包通常由許多串聯和并聯的電芯組成。每個電芯在理論上都是相同的，但由于制造公差和化學差異，每個電芯的行為通常略有不同。隨著時間的推移，這些差異變得更加顯著，因此電池的均衡就是必不可少的了。 被動均衡是最常見方法，它需要對充電最多的電池進行放電，直到它們都具有相等的電荷。AFE 中的被動單元平衡可以在外部或內部完成。外部平衡允許更大的平衡電流，但也會增加 BOM（如圖3所示）。  圖3 外部電池平衡框圖 另一方面，內部平衡不會增加 BOM，但由于散熱，它通常會將平衡電流限制在較低的值（如圖4）。在決定內部平衡和外部平衡時，需要考慮外部硬件的成本和目標平衡電流。  圖4 內部單元平衡框圖 |
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