利用AFE+MCU構建電池管理系統（BMS）

前言

實際BMS項目中，可能會綜合考慮成本、可拓展、通信交互等，用AFE（模擬前端）+MCU（微控制器）實現BMS（電池管理系統）。

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單純電池管理保護芯片構建的BMS

以IP3264為例

以英集芯的4~5 節鋰離子/聚合物電池保護器IP3264為例，其具有如下功能。

IP3264具有的功能

這個電路為充放電同口電池管理保護電路

在異常情況下，控制兩個NMOS，起到保護作用

通過采集每一節電芯電壓，起到過充、過放、斷線保護功能；

通過外接NTC，檢測電芯溫度，起到低溫、過溫保護功能；

通過采集Rsense壓差，起到充放電過流保護功能；

IP3264不具有的功能

由于BMS架構已經被芯片定死了，IP3264后續的可拓展性比較差，無法像AFE+MCU架構那樣根據具體需求進行靈活選擇和優化。

IP3264主要提供電池過充、過放、過流等基本保護功能，其數據處理和算法運行能力相對有限。

IP3264無法支持復雜的電池管理算法和高級功能，如精確的SOC估算、SOH評估等。

IP3264無法進行高效的數據處理和算法運行能力，使得BMS系統無法準確地監測電池狀態、預測電池壽命并采取相應的保護措施。

IP3265無法做到電芯均衡功能，監控和故障診斷能力相對有限，主要依賴于預設的保護閾值和延時設置。

AFE+MCU構建電池管理系統的優勢

一、更高的靈活性和可擴展性

組件選擇多樣性：設計師可以根據具體的應用場景、性能需求、成本預算等因素，從市場上眾多不同型號、性能的AFE和MCU中選擇最合適的組件進行搭配。這種靈活性使得BMS系統能夠更精確地滿足各種定制化需求。
系統升級便捷性：隨著電池技術的不斷進步，BMS系統可能需要進行相應的升級以適應新的電池特性。采用AFE+MCU架構的BMS系統可以更容易地進行硬件和軟件升級，以適應未來的電池技術和市場需求。

二、優化系統性能并降低成本

性能優化：通過精心挑選AFE和MCU組件，設計師可以構建出性能卓越的BMS系統。例如，選擇高精度、低噪聲的AFE可以確保電池參數的準確測量；選擇高性能、低功耗的MCU可以提高數據處理速度和系統響應能力。
成本降低：通過合理搭配組件和優化設計，AFE+MCU架構的BMS系統可以在保證性能的同時降低成本。例如，對于某些特定應用場景，可能無需采用最昂貴的電池管理保護芯片，而是可以通過選擇合適的AFE和MCU來實現相同的功能并降低成本。

三、數據處理和響應速度提升

高效數據處理：AFE負責將電池的模擬信號轉換為數字信號，并傳輸給MCU進行處理。MCU具有強大的數據處理能力，可以迅速對接收到的數據進行處理和分析，從而實現對電池狀態的實時監測和精確控制。
快速響應：由于MCU具有高速運算能力，因此當電池出現異常情況時，BMS系統可以迅速響應并采取相應的保護措施，如切斷電池供電或發出警報，以確保電池組的安全運行。

實際AFE+MCU項目

AFE+MCU構建BMS的挑戰

由于AFE無法像電池管理保護芯片那樣，做到電壓、電流、溫度的保護，所以只能靠MCU進行數據采集，通過軟件進行異常保護。

同時，數據采集在很大程度上，依賴MCU的ADC采集精度，所以數據采集的準確性也是一大挑戰。

另外，AFE+MCU架構，需要考慮到低功耗設計，MCU在靜態下，需要做到100uA以內的靜態功耗。

電池均衡控制、放電電流多級保護，SOC、SOH算法全部依賴軟件，所以需要一定的項目開發周期，軟件測試也比較困難。

DEMO原理圖

PT6105作為AFE

這里我選用了華潤微的PT6105作為AFE，其核心功能就三個：內置LDO、利用跟隨器輸出單節電芯電壓供給MCU采集、MCU控制其進行電芯被動均衡。

AFE外圍

總電芯電壓采集

溫度檢測

TL431提供高精度基準電壓

按鍵喚醒、電量顯示

充電MOS控制

放電電流檢測

電池ID識別、喚醒、單總線串口通信

軟件控制策略

硬件特性
*PT6105內置5V的LDO，給MCU及外圍電路供電
*用精度為0.5%的TL431作為MCU基準電壓

模擬量檢測
*MCU可檢測電池包總壓
*MCU控制PT6105的VOUT輸出單節電芯電壓，從而監測每一節電芯電壓
*MCU可檢測電池包溫度
*MCU可檢測放電電流

充電控制策略
*MCU可控制MOS管來控制是否進行充電
*休眠后O-CHG-CTRL為低電平，也就是只能特定的充電器才能對電池包進行充電

喚醒策略
*可通過按鍵喚醒
*可通過充電器或者工具設備，ID、S腳提供的5V上拉進行喚醒

低功耗策略
*進入休眠后，O-GND為高電平，NTC、TL431回路不消耗電流
*進入休眠后，O-AD-VBAT為低電平，總壓檢測回路不消耗電流
*進入休眠后，O-LEDx為高電平
*進入休眠后，O-AFE-EN為低電平，AFE進入休眠，減小模擬前端的功耗

被動均衡策略
*充放電時不可進行均衡
*同一時刻只能均衡一節電芯電壓
*當充電器/工具拔出10S后，若無其他異常，最高節電芯電壓比其他任何一節電壓高0.1V，則進行均衡（例如4.25、4.15、4.14、4.13、4.12，最高電芯電壓4.25，剩余電芯電壓均值4.135），均衡到最高那一節電芯的電壓小于其他節電芯電壓均值/均衡超時，則均衡停止，進入休眠狀態。
*均衡電流由限流電阻控制，例如電壓4.2V，限流電阻200Ω，則均衡電流為21mA

SOC估算測量
*采用OCV-SOC、安時積分法融合估算
*在系統啟動/更換電池/均衡完成時/充滿電后/被喚醒時，此時電池一般為弛豫或靜置狀態，單純通過OCV-SOC估算（線性插值法），獲取SOC初始值，對于三元鋰電池來說可行性較高
*在放電時，采集放電電流，通過安時積分法，計算SOC

溫度保護
*NTC懸空/短路
*充電時，高溫大于50℃置充電高溫flag，低溫低于-5℃置充電低溫flag；溫度低于45℃清除充電高溫flag，溫度高于0℃清除充電低溫flag
*放電時，高溫大于75℃置放電高溫flag，低溫低于-20℃置放電低溫flag；溫度低于50℃清除放電高溫flag，溫度高于-10℃清除放電低溫flag
*溫度在0-45℃清除所有溫度異常flag

充電過壓保護策略
*總壓超過21V或單節最高電壓超過4.25V時充電截止，總壓低于20.5且所有電芯電壓低于4.15V充電恢復

放電保護策略
*總壓低于14V或單節最低電壓低于2.6V時放電保護，總壓高于15V且所有電芯電壓高于2.8V放電恢復
*對于2Ah電池包，放電電流大于2*10A且時間超過4S進入放電保護，放電電流大于2*20A且時間超過1S進入放電保護

硬件故障
*電芯最高與最低節壓差超過1V時為電芯電壓嚴重失衡，為故障狀態；壓差在0.5V以內恢復
*當檢測到電池總壓低于5V，判定為保險絲燒壞/電壓檢測回路異常；總壓高于10V恢復
*當檢測到任何一節電芯電壓低于0.5V，為斷線狀態；所有電芯電壓高于2V恢復
*NTC懸空/短路為異常；溫度在0-45℃恢復