在過去十年中，電池供電的應用已變得司空見慣，此類設備需要一定程度的保護以確保安全使用。電池管理系統(tǒng) (BMS) 監(jiān)控電池和可能的故障情況，防止電池出現性能下降、容量衰減甚至可能損害用戶或周圍環(huán)境的情況。BMS 還負責提供準確的充電狀態(tài) (SoC) 和健康狀態(tài) (SoH) 估計，以確保在電池的整個生命周期內提供信息豐富且安全的用戶體驗。設計合適的 BMS 不僅從安全的角度來看至關重要，而且對于客戶滿意度也很重要。

用于低壓或中壓的完整 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。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(tǒng)其余部分連接的同時從 AFE 和電量計獲取信息。

AFE 為 MCU 和電量計提供來自電池的電壓、溫度和電流讀數。由于 AFE 在物理上離電池最近，因此建議 AFE 還控制斷路器，如果觸發(fā)任何故障，斷路器會將電池與系統(tǒng)的其余部分斷開。

電量計 IC 從 AFE 獲取讀數，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。與 AFE 類似，電量計的一些任務可以包含在 MCU 代碼中;但是，使用專用電量計 IC 有幾個優(yōu)點：

· 高效設計：使用專用 IC 運行復雜的電量計算法，設計人員可以使用規(guī)格較低的 MCU，從而降低總體成本和電流消耗。

· 提高洞察力和安全性：專用電量計可以測量電池組中每個串聯電池組合的單個 SoC 和 SoH，從而在電池的整個生命周期內實現更精確的測量精度和老化檢測。這很重要，因為電池阻抗和容量會隨著時間的推移而發(fā)散，從而影響運行時間和安全性。

· 快速上市：電量計 IC 已針對各種情況和測試用例進行了全面測試。這減少了測試復雜算法的時間和成本，同時加快了上市時間。

提高 SoC 和 SoH 精度

設計精確 BMS 的主要目標是為電池組的 SoC(剩余運行時間/范圍)和 SoH(壽命和狀況)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具有精確電池電壓測量容差的非常昂貴的 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。

電量計使用其內部算法運行復雜的計算，通過分析這些值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。換句話說，

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。

同步讀取的 SoC 誤差如何顯著低于沒有同步讀取的誤差，尤其是在幾個放電周期之后。這些結果是使用集成了 ESR 檢測和熱建模的MPF42791提取的。

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(tǒng)和電池。一些系統(tǒng)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。AFE 也經過全面測試，這使得保證強大的安全系統(tǒng)變得簡單。通過這種方式，MCU 可以用作二級保護機制，以獲得更高級別的安全性和魯棒性。

MP279x 系列集成了兩種形式的保護控制。這允許設計人員選擇是通過 AFE 還是 MCU 控制故障響應和/或保護。

高側與低側電池保護

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)。

高側架構確保始終以良好的接地 (GND) 為參考，從而避免出現短路時的潛在安全和通信問題。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電壓的電壓，這使得設計過程更具挑戰(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，因為保護 MOSFET 放置在電池的負極。然而，在低端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。

MP279x 系列采用高側架構，可提供強大的保護，同時最大限度地減少 BOM。此外，高精度電荷泵控制支持 N 溝道 MOSFET 軟開啟功能，無需任何額外的預充電電路，進一步最小化 BOM 尺寸和成本。軟開啟是通過緩慢增加保護 FET 的柵極電壓實現的，允許小電流流過保護以對負載進行預充電。可以配置幾個參數以確保安全轉換，例如最大允許電流，或直到保護 FET 關閉而不觸發(fā)故障的時間。