現(xiàn)在的電子設(shè)備具有更高的移動(dòng)性并且比以前更綠色，電池技術(shù)進(jìn)步推動(dòng)了這一進(jìn)展，并惠及了包括便捷式電動(dòng)工具、插電式混合動(dòng)力車、無(wú)線揚(yáng)聲器在內(nèi)的廣泛產(chǎn)品。近年來(lái)，電池效率（輸出功率/尺寸比）和重量均出現(xiàn)大幅改善。試想一下汽車電池得多龐大和笨重，其主要用途是啟動(dòng)汽車。隨著技術(shù)的最新進(jìn)展，你可以改用鋰離子電池來(lái)迅速啟動(dòng)汽車，其重量只有幾磅，尺寸也就人手那么大。
電池技術(shù)的不斷變化促使許多新手學(xué)習(xí)如何設(shè)計(jì)電池管理系統(tǒng)。本文提供了有關(guān)電池管理系統(tǒng)（BMS）架構(gòu)的初學(xué)者指南，討論了主要功能塊，并解釋了每個(gè)功能塊對(duì)BMS系統(tǒng)的重要性。
圖 SEQ Figure * ARABIC 1：電池管理系統(tǒng)（BMS）功能塊的簡(jiǎn)化示意圖。
電池管理系統(tǒng)架構(gòu)
電池管理系統(tǒng)（BMS）通常包含若干功能塊，如：FET驅(qū)動(dòng)、電流監(jiān)控、單電池電壓監(jiān)視器、單電池電壓均衡、實(shí)時(shí)時(shí)鐘、溫度監(jiān)控和狀態(tài)機(jī)。市場(chǎng)上有多種類型的BMS IC。從簡(jiǎn)單的模擬前端（如提供均衡和監(jiān)測(cè)功能并需要微控制器的ISL94208）到自主運(yùn)行的獨(dú)立集成解決方案（如ISL94203），功能塊的分組存在很大差異?，F(xiàn)在我們來(lái)看每個(gè)功能塊的用途和所使用的技術(shù)，以及每種技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)。
關(guān)斷FET和FET驅(qū)動(dòng)器
FET驅(qū)動(dòng)器功能塊負(fù)責(zé)電池組的連接以及負(fù)載與充電器之間的隔離。FET驅(qū)動(dòng)器的行為可根據(jù)單電池電壓測(cè)量值、電流測(cè)量值和實(shí)時(shí)檢測(cè)電路進(jìn)行操控。圖2（a） 和 2（b）描述了負(fù)載與充電器及電池組之間的兩種不同F(xiàn)ET連接。
圖 SEQ Figure * ARABIC 2：不同連接的截止FET原理圖：（a）負(fù)載與充電器之間的單一連接，（b）允許同時(shí)充電和放電的二端子連接。
圖2（a）需要最少的電池組連接數(shù)，且電池組工作模式限于充電、放電或休眠。電流方向和具體實(shí)時(shí)檢測(cè)的行為決定了器件的狀態(tài)。例如，ISL94203有一個(gè)CHMON，用于監(jiān)測(cè)截止FET右側(cè)上的電壓。如果充電器已連接且電池組與之隔離，則注入電池組的電流將使電壓上升至充電器的最大供電電壓。這時(shí)，CHMON所在位置的電壓電平升高（tripped），讓BMS器件知道已連接充電器。負(fù)載連接是通過以下方式來(lái)確定的：向負(fù)載方向注入電流，以確定負(fù)載是否存在。如果引腳所在位置的電壓在電流注入時(shí)沒有顯著上升，則表明負(fù)載還在。然后FET驅(qū)動(dòng)器的DFET繼續(xù)斷開。圖2（b）的連接方案允許電池組在充電時(shí)可以支持放電工作。
可以設(shè)計(jì)FET驅(qū)動(dòng)器來(lái)連接至電池組的高端或低端。高端連接需要一個(gè)電荷泵驅(qū)動(dòng)器來(lái)激活NMOS FET。使用高端驅(qū)動(dòng)器可使電路其余部分具有穩(wěn)固的接地基準(zhǔn)。低端FET驅(qū)動(dòng)器連接見于一些集成解決方案，用以降低成本，因?yàn)檫@時(shí)無(wú)需電荷泵。低端連接也不需要高電壓器件，它會(huì)占用更大的芯片面積。在低端上截止FET會(huì)使電池組的接地點(diǎn)連接浮接，使之易受注入測(cè)量的噪聲的影響——這會(huì)影響一些IC的性能。
電量計(jì) / 電流測(cè)量
電量計(jì)功能模塊負(fù)責(zé)記錄流入和流出電池組的電荷。電荷是電流與時(shí)間之積。設(shè)計(jì)電量計(jì)時(shí)可使用多種不同的技術(shù)。測(cè)量電流的方法之一是使用電流感測(cè)放大器和帶有嵌入式低分辨率ADC的MCU。電流運(yùn)算放大器在高共模環(huán)境中工作，它負(fù)責(zé)放大分流器上差分信號(hào)，以支持更高的測(cè)量分辨率。這種設(shè)計(jì)技術(shù)以犧牲動(dòng)態(tài)范圍為代價(jià)。其他技術(shù)使用高分辨率ADC，或昂貴的電量計(jì)IC。了解負(fù)載行為的電流消耗-時(shí)間關(guān)系可確定電量計(jì)設(shè)計(jì)的最佳類型。
最準(zhǔn)確和經(jīng)濟(jì)的解決方案是使用具有低漂移和高共模額定值的16位或更高分辨率ADC來(lái)測(cè)量感測(cè)電阻器上的電壓。高分辨率ADC提供大的動(dòng)態(tài)范圍，但以犧牲速度為代價(jià)。如果電池連接到不規(guī)則荷載，如電動(dòng)車，則慢速ADC有可能錯(cuò)過流向負(fù)載的高振幅和高頻電流尖峰。對(duì)于不規(guī)則荷載，使用可能帶有電流運(yùn)算放大器前端的SAR ADC可能更為理想。任何偏移誤差都會(huì)影響總誤差（以電池電荷數(shù)量來(lái)衡量）。隨著時(shí)間的推移，測(cè)量誤差會(huì)造成嚴(yán)重的充電狀態(tài)電池組誤差。在測(cè)量電荷時(shí)，50uV 或更小的測(cè)量偏移在 16位分辨率就足夠。
單電池電壓和最大限度延長(zhǎng)電池壽命
監(jiān)測(cè)電池組中每個(gè)單電池的電壓對(duì)確定電池組的整體健康狀況是必不可少的。所有單電池都有一個(gè)工作電壓窗口，充電/放電應(yīng)當(dāng)在此期間進(jìn)行，以確保正常工作和電池壽命。如果一個(gè)應(yīng)用使用的是鋰離子化學(xué)電池，則典型工作電壓范圍為2.5V - 4.2V。電壓范圍取決于化學(xué)過程。使電池工作電壓超出電壓范圍會(huì)顯著縮短單電池的壽命，并可能使得該單電池失效。
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