利用AFE+MCU构建电池管理系统（BMS）

利用AFE+MCU构建电池管理系统（BMS）

引用

CSDN

1.

https://blog.csdn.net/weixin_45817947/article/details/145670338

前言

在实际的BMS项目开发中，为了综合考虑成本、可拓展性和通信交互等因素，通常采用AFE（模拟前端）+MCU（微控制器）的架构来实现电池管理系统。这种架构具有更高的灵活性和可扩展性，能够根据具体需求进行优化设计。

单纯电池管理保护芯片构建的BMS

以IP3264为例

以英集芯的4~5 节锂离子/聚合物电池保护器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保护电路，在异常情况下，控制两个NMOS，起到保护作用。通过采集每一节电芯电压，起到过充、过放、断线保护功能；通过外接NTC，检测电芯温度，起到低温、过温保护功能；通过采集Rsense压差，起到充放电过流保护功能。

IP3264不具有的功能

由于BMS架构已经被芯片定死了，IP3264后续的可拓展性比较差，无法像AFE+MCU架构那样根据具体需求进行灵活选择和优化。IP3264主要提供电池过充、过放、过流等基本保护功能，其数据处理和算法运行能力相对有限。IP3264无法支持复杂的电池管理算法和高级功能，如精确的SOC估算、SOH评估等。IP3265无法做到电芯均衡功能，监控和故障诊断能力相对有限，主要依赖于预设的保护阈值和延时设置。

AFE+MCU构建电池管理系统的优势

一、更高的灵活性和可扩展性

• 组件选择多样性：设计师可以根据具体的应用场景、性能需求、成本预算等因素，从市场上众多不同型号、性能的AFE和MCU中选择最合适的组件进行搭配。这种灵活性使得BMS系统能够更精确地满足各种定制化需求。
• 系统升级便捷性：随着电池技术的不断进步，BMS系统可能需要进行相应的升级以适应新的电池特性。采用AFE+MCU架构的BMS系统可以更容易地进行硬件和软件升级，以适应未来的电池技术和市场需求。

二、优化系统性能并降低成本

• 性能优化：通过精心挑选AFE和MCU组件，设计师可以构建出性能卓越的BMS系统。例如，选择高精度、低噪声的AFE可以确保电池参数的准确测量；选择高性能、低功耗的MCU可以提高数据处理速度和系统响应能力。
• 成本降低：通过合理搭配组件和优化设计，AFE+MCU架构的BMS系统可以在保证性能的同时降低成本。例如，对于某些特定应用场景，可能无需采用最昂贵的电池管理保护芯片，而是可以通过选择合适的AFE和MCU来实现相同的功能并降低成本。

三、数据处理和响应速度提升

• 高效数据处理：AFE负责将电池的模拟信号转换为数字信号，并传输给MCU进行处理。MCU具有强大的数据处理能力，可以迅速对接收到的数据进行处理和分析，从而实现对电池状态的实时监测和精确控制。
• 快速响应：由于MCU具有高速运算能力，因此当电池出现异常情况时，BMS系统可以迅速响应并采取相应的保护措施，如切断电池供电或发出警报，以确保电池组的安全运行。

实际AFE+MCU项目

AFE+MCU构建BMS的挑战

由于AFE无法像电池管理保护芯片那样，做到电压、电流、温度的保护，所以只能靠MCU进行数据采集，通过软件进行异常保护。同时，数据采集在很大程度上，依赖MCU的ADC采集精度，所以数据采集的准确性也是一大挑战。另外，AFE+MCU架构，需要考虑到低功耗设计，MCU在静态下，需要做到100uA以内的静态功耗。电池均衡控制、放电电流多级保护，SOC、SOH算法全部依赖软件，所以需要一定的项目开发周期，软件测试也比较困难。

DEMO原理图

PT6105作为AFE

这里选用了华润微的PT6105作为AFE，其核心功能就三个：内置LDO、利用跟随器输出单节电芯电压供给MCU采集、MCU控制其进行电芯被动均衡。

AFE外围

总电芯电压采集

温度检测

TL431提供高精度基准电压

按键唤醒、电量显示

充电MOS控制

放电电流检测

电池ID识别、唤醒、单总线串口通信

电芯相关信息

下面以三星INR18650-25R电芯为例，说明软件控制策略

软件控制策略

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

充电控制策略

• MCU可控制MOS管来控制是否进行充电
• 休眠后O-CHG-CTRL为低电平，也就是只能特定的充电器才能对电池包进行充电

唤醒策略

• 可通过按键唤醒
• 可通过充电器或者工具设备，ID、S脚提供的5V上拉进行唤醒

低功耗策略

• 进入休眠后，O-GND为高电平，NTC、TL431回路不消耗电流
• 进入休眠后，O-AD-VBAT为低电平，总压检测回路不消耗电流
• 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

被动均衡策略

• 充放电时不可进行均衡
• 同一时刻只能均衡一节电芯电压
• 当充电器/工具拔出10S后，若无其他异常，最高节电芯电压比其他任何一节电压高0.1V，则进行均衡（例如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），均衡到最高那一节电芯的电压小于其他节电芯电压均值/均衡超时，则均衡停止，进入休眠状态。
• 均衡电流由限流电阻控制，例如电压4.2V，限流电阻200Ω，则均衡电流为21mA

SOC估算测量

• 采用OCV-SOC、安时积分法融合估算
• 在系统启动/更换电池/均衡完成时/充满电后/被唤醒时，此时电池一般为弛豫或静置状态，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，采集放电电流，通过安时积分法，计算SOC

温度保护

• 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℃清除充电高温flag，温度高于0℃清除充电低温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℃清除放电高温flag，温度高于-10℃清除放电低温flag
• 温度在0-45℃清除所有温度异常flag

充电过压保护策略

• 总压超过21V或单节最高电压超过4.25V时充电截止，总压低于20.5且所有电芯电压低于4.15V充电恢复

放电保护策略

• 总压低于14V或单节最低电压低于2.6V时放电保护，总压高于15V且所有电芯电压高于2.8V放电恢复
• 对于2Ah电池包，放电电流大于210A且时间超过4S进入放电保护，放电电流大于220A且时间超过1S进入放电保护

硬件故障

• 电芯最高与最低节压差超过1V时为电芯电压严重失衡，为故障状态；压差在0.5V以内恢复
• 当检测到电池总压低于5V，判定为保险丝烧坏/电压检测回路异常；总压高于10V恢复
• 当检测到任何一节电芯电压低于0.5V，为断线状态；所有电芯电压高于2V恢复
• NTC悬空/短路为异常；温度在0-45℃恢复

通过AFE（模拟前端）PT6105与MCU的紧密协作，成功实现了一个功能全面、性能卓越的电池管理系统（BMS）。该系统充分利用了PT6105的硬件特性，包括其内置的5V LDO为MCU及外围电路提供稳定供电，以及使用高精度TL431作为MCU的基准电压，确保了系统的高精度和低噪声性能。

在模拟量检测方面，MCU能够准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，充电控制策略、唤醒策略和低功耗策略的制定，进一步提升了系统的灵活性和能效。

特别是在充电和放电过程中，系统采用了精细的控制策略，包括充电控制、休眠唤醒、低功耗管理以及被动均衡等，确保了电池的安全、稳定和高效运行。其中，被动均衡策略的实施，有效避免了电池组内部电芯之间的电压失衡，延长了电池的使用寿命。

在SOC估算方面，系统采用了OCV-SOC和安时积分法相结合的估算方法，提高了SOC估算的准确性和可靠性。同时，温度保护、充电过压保护和放电保护策略的制定，为电池的安全使用提供了有力的保障。

此外，系统还具备完善的硬件故障诊断功能，能够及时发现并处理电芯电压失衡、保险丝烧坏、电芯断线以及NTC异常等故障，确保了系统的稳定性和可靠性。

综上所述，AFE+MCU实现的BMS系统具有高精度、高可靠性、高能效和低故障率等优点，为电动汽车、储能系统等领域提供了优质的电池管理解决方案。未来，将继续优化和完善该系统，以满足更多领域和场景的需求，推动电池管理技术的不断发展和进步。