霍克锂电池管理系统BMS硬件保护系统架构设计实现

摘要：得益于动力锂离子电池BMS技术和锂离子电池办理体系的日益老练，成本的不断下降，以及欧美电动东西商场锂离子电池加速取代镍镉电池，锂离子电动东西和吸尘器商场开展迅速。从无绳电动东西和吸尘器的出货量趋势能够看出，随着无绳电动东西和吸尘器出货量的增加，锂离子无绳电动东西和吸尘器的出货量占比明显增加。

关键词；锂电池办理体系；BMS；硬件维护；模组规划；状况机；

锂电池办理体系BMS硬件维护体系架构由电池采样模组、电流检测模组、温度监控模组、通信模组、报警模组、负载/充电器检测模组、充/放电驱动模组以及数字操控硬核构成。为满意低功耗需求，依据集成电路工艺，选用分时操控方法，规划有限状况机对作业时序进行操控，完成对多节电池包的快速采样及维护，有用防止各类体系故障及危险。

一、硬件维护体系需求剖析

1.电池包电芯电压体系需求。自索尼公司发布首个商用锂离子电池以来，锂离子电池以优异的功能在数码产品中得到广泛运用，并在逐步向其他产品运用领域开展。锂离子电池具有高能量密度、长运用寿命、低自放电率、高功率承受力等长处，但因为锂电池组成物质非常活泼，错误运用会出现严重成果。特别是在锂电池电量已满的状况下继续充电会导致电解液分化、燃烧乃至爆破等重大事故，因而关于电池包体系最基本也是最重要的体系需求即电芯过充电压维护。随着锂电资料的开展，特别是聚合物锂离子电池的老练，关于过充电压维护的要求也逐渐进步，现在主流过充电压维护精度为4.2 V±25 mV即±0.5%的精度需求，高端产品则需求±20 mV以内的精度需求。而锂电池放电欠压尽管成果没有过充严重，但也会形成电池内压升高，正负极活性物质可逆性损坏，从而导致容量衰减退化，关于放电欠压维护的精度相较过充维护进度低，一般为±2%的精度需求。

2.电池包温度体系需求。在所有环境要素中，温度对电池的充放电功能影响最大，温度凹凸与锂电池电极/电解液界面上的电化学反响相关。当温度过高会使锂离子流动反常，产生漏液、过流乃至爆破。温度过低会使电池输出功率下降，但相比较低温放电，锂电池低温充电时因为锂离子来不及嵌入石墨负极，从而析出在负极金属锂枝晶，这会消耗电池中的锂离子、下降容量，乃至会刺穿隔阂，影响安全功能。因而，在BMS体系中需求对电池包的温度进行精确监控，在高温时需求制止相关充电/放电操作，而在低温时则需求绝对制止充电操作。BMS体系温度监控首要靠NTC电阻完成，依据NTC电阻温度特性及不同类型的锂电池温度需求，设定对应的过/欠温维护阈值。

3.电池包充放电电流体系需求。在运用要素中，充/放电电流也会对电池包体系产生影响，最直观的影响即为充/放电引起电池包温度变化，另一方面电池包充/放电过大简单导致电解液分化形成电池臌胀乃至冒烟起火，因而关于电池包体系充/放电电流监控也是体系需求之一。一般关于充电电流监控采纳单级维护机制，即产生充电过流后关闭放电管，等候一段时间后再康复，体系表现为“脉冲”式充电直至充溢。关于放电电流监控一般采纳多级维护机制，当产生放电过流状况后会依据过流程度（过电流巨细）进行层级操控，过流程度轻维护延时长，过流程度重（例如负载短路）则需求立即进行维护。

4.电池包其他方面体系需求。（1）牢靠性体系需求：电池包运用场景杂乱而且一般比较恶劣，因而需求体系有牢靠的EOS、ESD防护能力。（2）安全性需求：人在运用电池包驱动的东西时，如果产生放电相关的维护，必须在保证负载断开后才能够康复维护状况以保证人身安全。（3）低功耗需求：BMS体系不仅仅在正常作业时有功耗要求，在欠压进入休眠后、各通道采样电流等均有低功耗的规划需求。

二、BMS硬件维护体系架构规划完成

在对BMS硬件维护体系进行需求剖析后发现，尽管BMS硬件维护体系在各方面有很多体系需求，但是各个体系需求之间是彼此独立的。因而能够运用模组化规划方法学对BMS硬件维护体系架构进行规划完成，依据模组化规划方法学，对BMS硬件维护体系各个体系需求进行模组化划分，其长处是能够依据不同体系需求对模组进行重组为体系客户提供便利的Design-In和Design-Win窗口。BMS硬件维护IC体系架构由电池采样模组、电流检测模组、温度监控模组、通信模组、报警模组、负载/充电器检测模组、充/放电驱动模组以及与之相连的数字操控硬核构成。下面临首要的模组进行详细阐明。

1.电池采样模组。电池采样模组是体系的中心模组，用于对电池包各个电芯的电压进行检测并给出相应的过压/欠压信号至数字核进行相对应的操作，电平搬运电路Levelshift将电池包中各节电芯电压转换为对参考地VSS的电压以便后续进行过压/欠压信号处理，决定采样精度首要有两个方面：电平搬运电路本身的精度以及比较器失调电压，这在详细规划时都需求仔细考量。为满意低功耗需求，电平搬运电路一般都是分时作业的，这里选用有限状况机对电平搬运电路作业时序进行操控，选用状况机长处是状况机本身鲁棒性和扩展性，能够对状况机各个状况的不同时序进行别离操控以便到达多通道快速布置的意图。

2.电流检测模组及温度监控模组。BMS硬件维护IC体系中电流采样模组和温度监控模组的架构。电流采样模组输入信号为电流采样信号IS，经过模组内部充电过流检测、放电检测、放电过流1检测、放电过流n检测以及短路检测输出至数字核进行信号处理。为下降体系功耗温度监控模组选用与电池采样模组相同的分时技术，选用状况机操控零温度系数电流产生电路产生零温度系数电流，流经NTC电阻的电压输入到充/放电过温、充电欠温检测模块，检测成果输出至数字核进行信号处理。

3.数字操控硬核模组。数字操控硬核模组是整个BMS硬件维护IC体系的“大脑”，所有外围模组给出的信号都会输入至数字核模组，数字核模组依据相应维护战略给出操控信号用以操控外围相关模组作业状况。信号在数字核中有以下四种形态。（1）事情：指外围模组输出至数字核的初始信号。（2）推迟事情：因为电池包体系工况杂乱，很有可能误触发事情，因而需求对相关时间进行推迟或许计数以防止误触发。（3）状况：推迟事情触发标明BMS体系出现反常，数字核需求将推迟事情与相关事情运算并锁存，终究锁存的成果称为状况。（4）操作：数字核依据各种状况组合向各个外围模块给出操控信号，称为操作。给出了BMS硬件维护IC体系数字操控硬核模组的架构图，时钟生成及时钟树为数字操控硬核提供基频作业时钟和延时计时频率。所有外围模组给到数字核的信号均认为事情输入，事情输入进入数字核后经过事情缓冲器对事情信号进行缓冲整形。缓冲整形后的事情信号输入事情计时/计数器，因为外围模组给出的事情信号不同需求别离进行处理，实时作业模组给出的事情经过计时器计时、分时作业模组给出的事情经过计数器计数后给出推迟事情。推迟事情产生标明BMS体系出现反常，推迟信号进入状况处理器进行处理后进行锁存，锁存的信号为终究确认的需求进行体系进行操作处理的状况。得到的状况依据需求进行相应的信号处理后终究由数字核给出操作输出。

总之，高精度的过/欠电压检测：因为锂电充放电特性，体系必须精确检测过/欠压，以防止安全事故或锂电池损坏，一般精度要求在0.5%以内。关于BMS电池办理体系芯片，现在除了部分国外公司外，国内只要少量几家公司有相应的计划，且产品牢靠性较差，因而需求牢靠的BMS硬件维护体系架构填补这方面的空白。