利用AFE+MCU构建电池管理体系（BMS）

媒介

现实BMS项目中，大概会综合思量本钱、可拓展、通讯交互等，用AFE（模拟前端）+MCU（微控制器）实现BMS（电池管理体系）。
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单纯电池管理掩护芯片构建的BMS

以IP3264为例

以英集芯的4~5 节锂离子/聚合物电池掩护器IP3264为例，其具有如下功能。

IP3264具有的功能

这个电路为充放电同口电池管理掩护电路
在非常情况下，控制两个NMOS，起到掩护作用
通过收罗每一节电芯电压，起到过充、过放、断线掩护功能；
通过外接NTC，检测电芯温度，起到低温、过温掩护功能；
通过收罗Rsense压差，起到充放电过流掩护功能；
IP3264不具有的功能

由于BMS架构已经被芯片定死了，IP3264后续的可拓展性比力差，无法像AFE+MCU架构那样根据具体需求举行机动选择和优化。
IP3264告急提供电池过充、过放、过流等根本掩护功能，其数据处置惩罚和算法运行本领相对有限。
IP3264无法支持复杂的电池管理算法和高级功能，如正确的SOC估算、SOH评估等。
IP3264无法举行高效的数据处置惩罚和算法运行本领，使得BMS体系无法正确地监测电池状态、猜测电池寿命并接纳相应的掩护步调。
IP3265无法做到电芯平衡功能，监控和故障诊断本领相对有限，告急依赖于预设的掩护阈值和延时设置。

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AFE+MCU构建电池管理体系的上风

一、更高的机动性和可扩展性

• 组件选择多样性：筹划师可以根据具体的应用场景、性能需求、本钱预算等因素，从市场上浩繁差别型号、性能的AFE和MCU中选择最符合的组件举行搭配。这种机动性使得BMS体系可以或许更正确地满意各种定制化需求。
  
• 体系升级便捷性：随着电池技能的不停进步，BMS体系大概须要举行相应的升级以顺应新的电池特性。接纳AFE+MCU架构的BMS体系可以更轻易地举行硬件和软件升级，以顺应将来的电池技能和市场需求。
  

二、优化体系性能并低竣工本

• 性能优化：通过经心挑选AFE和MCU组件，筹划师可以构建出性能良好的BMS体系。比方，选择高精度、低噪声的AFE可以确保电池参数的正确丈量；选择高性能、低功耗的MCU可以进步数据处置惩罚速率和体系相应本领。
  
• 本钱低沉：通过公道搭配组件和优化筹划，AFE+MCU架构的BMS体系可以在包管性能的同时低竣工本。比方，对于某些特定应用场景，大概无需接纳最昂贵的电池管理掩护芯片，而是可以通过选择符合的AFE和MCU来实现雷同的功能并低竣工本。
  

三、数据处置惩罚和相应速率提升

• 高效数据处置惩罚：AFE负责将电池的模拟信号转换为数字信号，并传输给MCU举行处置惩罚。MCU具有强大的数据处置惩罚本领，可以敏捷对吸收到的数据举行处置惩罚和分析，从而实现对电池状态的实时监测和正确控制。
  
• 快速相应：由于MCU具有高速运算本领，因此当电池出现非常情况时，BMS体系可以敏捷相应并接纳相应的掩护步调，如堵截电池供电或发出警报，以确保电池组的安全运行。
  

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现实AFE+MCU项目

AFE+MCU构建BMS的寻衅

由于AFE无法像电池管理掩护芯片那样，做到电压、电流、温度的掩护，以是只能靠MCU举行数据收罗，通过软件举行非常掩护。
同时，数据收罗在很洪流平上，依赖MCU的ADC收罗精度，以是数据收罗的正确性也是一大寻衅。
别的，AFE+MCU架构，须要思量到低功耗筹划，MCU在静态下，须要做到100uA以内的静态功耗。
电池平衡控制、放电电流多级掩护，SOC、SOH算法全部依赖软件，以是须要肯定的项目开发周期，软件测试也比力困难。

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DEMO原理图

PT6105作为AFE

这里我选用了华润微的PT6105作为AFE，其焦点功能就三个：内置LDO、利用跟随器输出单节电芯电压供给MCU收罗、MCU控制其举行电芯被动平衡。
AFE外围

总电芯电压收罗

温度检测

TL431提供高精度基准电压

按键唤醒、电量表现

充电MOS控制

放电电流检测

电池ID辨认、唤醒、单总线串口通讯

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电芯相干信息

下面以三星INR18650-25R电芯为例，分析软件控制战略
项目编号项目名称规格分析​3.1标称放电容量2,500mAh（0.2C放电至2.5V停止） 充电参数1.25A电流，4.20V恒压，100mA停止​3.2标称电压3.6V​3.3尺度充电CCCV，1.25A，4.20±0.05V，100mA停止​3.4快速充电CCCV，4A，4.20±0.05V，100mA停止​3.6充电时间尺度充电：180分钟
快速充电：60分钟（25℃情况）​3.7最大连续放电电流20A（25℃）
循环寿命：250次后保持60%容量（一连放电模式）​3.8放电停止电压2.5V（掩护电路触发）​3.9电池重量最大45.0g​3.10电池尺寸高度：64.85 ± 0.15mm
直径：18.33 ± 0.07mm​3.11工作温度充电：0~50℃（发起≤45℃，外貌温度）
放电：-20~75℃（发起≤60℃）​3.12储存温度- 1.5年长期储存-30~25℃（需规复90%电量后利用） 3个月中期储存-30~45℃（需规复90%电量后利用） 1个月短期储存-30~60℃（需规复90%电量后利用）

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软件控制战略

硬件特性
*PT6105内置5V的LDO，给MCU及外围电路供电
*用精度为0.5%的TL431作为MCU基准电压
模拟量检测
*MCU可检测电池包总压
*MCU控制PT6105的VOUT输出单节电芯电压，从而监测每一节电芯电压
*MCU可检测电池包温度
*MCU可检测放电电流
充电控制战略
*MCU可控制MOS管来控制是否举行充电
*休眠后O-CHG-CTRL为低电平，也就是只能特定的充电器才华对电池包举行充电
唤醒战略
*可通过按键唤醒
*可通过充电器大概工具装备，ID、S脚提供的5V上拉举行唤醒
低功耗战略
*进入休眠后，O-GND为高电平，NTC、TL431回路不斲丧电流
*进入休眠后，O-AD-VBAT为低电平，总压检测回路不斲丧电流
*进入休眠后，O-LEDx为高电平
*进入休眠后，O-AFE-EN为低电平，AFE进入休眠，减小模拟前端的功耗
被动平衡战略
*充放电时不可举行平衡
*同一时间只能平衡一节电芯电压
*当充电器/工具拔出10S后，若无其他非常，最高节电芯电压比其他任何一节电压高0.1V，则举行平衡（比方4.25、4.15、4.14、4.13、4.12，最高电芯电压4.25，剩余电芯电压均值4.135），平衡到最高那一节电芯的电压小于其他节电芯电压均值/平衡超时，则平衡克制，进入休眠状态。
*平衡电流由限流电阻控制，比方电压4.2V，限流电阻200Ω，则平衡电流为21mA
SOC估算丈量
*接纳OCV-SOC、安时积分法融合估算
*在体系启动/更换电池/平衡完成时/充满电后/被唤醒时，此时电池一样平常为弛豫或静置状态，单纯通过OCV-SOC估算（线性插值法），获取SOC初始值，对于三元锂电池来说可行性较高
*在放电时，收罗放电电流，通过安时积分法，盘算SOC
温度掩护
*NTC悬空/短路
*充电时，高温大于50℃置充电高温flag，低温低于-5℃置充电低温flag；温度低于45℃打扫充电高温flag，温度高于0℃打扫充电低温flag
*放电时，高温大于75℃置放电高温flag，低温低于-20℃置放电低温flag；温度低于50℃打扫放电高温flag，温度高于-10℃打扫放电低温flag
*温度在0-45℃打扫全部温度非常flag
充电过压掩护战略
*总压凌驾21V或单节最高电压凌驾4.25V时充电停止，总压低于20.5且全部电芯电压低于4.15V充电规复
放电掩护战略
*总压低于14V或单节最低电压低于2.6V时放电掩护，总压高于15V且全部电芯电压高于2.8V放电规复
*对于2Ah电池包，放电电流大于2*10A且时间凌驾4S进入放电掩护，放电电流大于2*20A且时间凌驾1S进入放电掩护
硬件故障
*电芯最高与最低节压差凌驾1V时为电芯电压严厉失衡，为故障状态；压差在0.5V以内规复
*当检测到电池总压低于5V，判断为保险丝烧坏/电压检测回路非常；总压高于10V规复
*当检测到任何一节电芯电压低于0.5V，为断线状态；全部电芯电压高于2V规复
*NTC悬空/短路为非常；温度在0-45℃规复

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无情的AI天生竣事语

通过AFE（模拟前端）PT6105与MCU的细密协作，我们乐成实现了一个功能全面、性能良好的电池管理体系（BMS）。该体系充实利用了PT6105的硬件特性，包罗其内置的5V LDO为MCU及外围电路提供稳固供电，以及利用高精度TL431作为MCU的基准电压，确保了体系的高精度和低噪声性能。
在模拟量检测方面，MCU可以或许正确检测电池包的总压、单节电芯电压、温度和放电电流，为电池状态的实时监测提供了可靠的数据支持。同时，充电控制战略、唤醒战略和低功耗战略的订定，进一步提升了体系的机动性和能效。
特别是在充电和放电过程中，体系接纳了精致的控制战略，包罗充电控制、休眠唤醒、低功耗管理以及被动平衡等，确保了电池的安全、稳固和高效运行。此中，被动平衡战略的实行，有效克制了电池组内部电芯之间的电压失衡，延伸了电池的利用寿命。
在SOC估算方面，体系接纳了OCV-SOC和安时积分法相联合的估算方法，进步了SOC估算的正确性和可靠性。同时，温度掩护、充电过压掩护和放电掩护战略的订定，为电池的安全利用提供了有力的保障。
别的，体系还具备美满的硬件故障诊断功能，可以或许实时发现并处置惩罚电芯电压失衡、保险丝烧坏、电芯断线以及NTC非常等故障，确保了体系的稳固性和可靠性。
综上所述，AFE+MCU实现的BMS体系具有高精度、高可靠性、高能效和低故障率等长处，为电动汽车、储能体系等范畴提供了优质的电池管理办理方案。将来，我们将继续优化和美满该体系，以满意更多范畴和场景的需求，推动电池管理技能的不停发展和进步。