電池組管理電路設計

便攜式電源如移動電源,電動車電源、汽車電源等都是由一個個電池單元組成的，由于電池產(chǎn)品固有的誤差，要平衡這個誤差讓電池組更好的工作，就需要做BMS管理設計，那么電池組的管理電路設計怎么做呢？

電池組管理系統(tǒng)整體結構

設計的應用實體是一個工業(yè)上使用的便攜式電池組設備，采用Altera的FPGA和其上的NIOS II嵌入式處理器，并使用USB接口與電腦相連接，面向的是大數(shù)據(jù)量應用。這個設備需要30V直流電壓，所以計劃使用4個1000mAh鋰聚合物電池串聯(lián)的電池組；另外，出于防水防塵的考慮，對外只使用一個方形的USB接口（USBB Type Sockr，這個USB口同時兼具數(shù)據(jù)傳輸和充電的功能。

控制核心包括FPGA及其所連的接口、顯示電路，需要3.3V的低電壓，由高效率的DC/DC芯片從4芯鋰電池組直接降壓得到。這個電壓很重要，所以需要保持穩(wěn)定且連續(xù)，除非電池組低電量或者過流保護，否則此電壓一直供給。

執(zhí)行機構需要30V直流電壓，電流大約80mA左右，使用一個升壓DC/DC電路，這個電路由控制核心操縱，平時是不工作的，只在需要動作之前開啟。

充電使用外部20V電源，通過USB接口連接。使用這種電源的考慮是為了進行1C或0.5C大電流高速充電。由于與普通USB共用一個端口，為了避免接入普通USB時進入充電程序，需要一個電壓判斷電路進行判斷。

由于合乎需要的芯片解決方案市場上很難尋覓，決定使用FPGA的剩余邏輯資源來實現(xiàn)充電器的控制功能，添加少量的模擬電路來輔助。這就要求對控制電路的供電不能中斷，電池組必須一直在線，并且電池負極需要一直與GND連接。

1、電壓采樣

最重要的部分就是電壓采樣電路的設計，要求精度高并且受溫度影響小。這個設計難點在于電池電壓對于GND而言是浮動的。很多方案采取了差分運放轉換到對地電壓然后輸入專用ADC進行AD變換的方案。但這個方案由于引入了差分運放，產(chǎn)生了許多問題。首先，電壓比較高，運放很難找；其次，運放的電源與輸入電壓使用同一個電源，這樣一來就要求運放需要軌到軌輸入的功能；再次，可能還需要一個負電源，使用DC/DC又引入了噪聲；另外，運放及使用匹配的電阻使得精度降低。

RC充電電路

為了盡量簡化電路，這里構造了積分型的ADC，將FPGA定時的高精度轉化為電壓測量的高精度。其工作流程是：J1先閉合，釋放C1上的電荷；然后J1打開，由R1對C1進行充電；電壓比較器U1將C1上的電壓與參考電壓V2比較，當C1電壓超過V2時輸出高電平。統(tǒng)計從J1打開到U1輸出高電平之間的時間，便可以確定V1的電壓大小?？梢灾庇^地看出，V1越高，這段時間越短。

實際取樣電路圖

實際的電路如圖3所示，注意這幅圖只畫出了第一個電池的測量電路。其中，R1與C1便是積分使用的電阻與電容，Q1是常用的P-MOSFET，這里用來實現(xiàn)J1給電容放電的功能，U5 同時實現(xiàn)電壓基準與電壓比較器雙重功能。X1是放電控制，來自FPGA，X2是開關量輸出，去往FPGA。

這個電路在靜態(tài)時僅僅消耗MAX921的4uA電流和C1、Q1、Q2的漏電流，基本可以忽略不計，非常省電。

這個電路另外一個特色是省掉了經(jīng)常使用的光電耦合器，而使用電容C2代替。靜態(tài)時，C2兩端達到電壓平衡，不消耗電能，此時，X2電壓為0。U5輸出高電平時，因為C2兩端電壓不能瞬變，故X2電壓被提升。D1與D2兩個肖特基二極管是起限幅作用的。仔細調(diào)整C2與R4的值就能夠順利地傳遞開關量信息。

2、平衡充電

平衡充電是所有鋰電池組所需要的充電方式，但是很多小功率的應用中實際是沒有平衡充電的，如大多數(shù)的筆記本電腦電池組，這樣做實際上對電池壽命的影響是相當大的。

現(xiàn)有的均衡技術主要分為電池間能量傳遞均衡和外部能量輸入均衡。電池間能量均衡就是把高電量電池的能量給低電量電池充電。這種方法最大的問題就是控制起來很復雜。

現(xiàn)在很多專用芯片或者單片機解決方案使用的是外部均衡的方式，這種方式是通過可控制的耗能來實現(xiàn)的。這種方式中一般都是使用一個耗能元件來消耗能量，從而等待其他電池單元充滿或者降低某些單元的電壓。這種方案的缺陷在于穩(wěn)壓二極管上的耗能太大，造成的發(fā)熱量是不能忍受的。

當然，這只是一個示意圖，不包括電流檢測電路（輸入到變壓器之間）和電壓檢測電路（變壓器次級繞組）。其中，開關陣列是用功率MOSFET實現(xiàn)。

這種做法，管子都工作在開關狀態(tài)，耗能很少，另外電池沒有串聯(lián)二極管，可以獲得最大輸出。不足之處還是電路比較復雜，由于要匹配每個電池的電壓，所以要求輸入充電電路是隔離的。這里采用T1變壓器作為隔離，因為開關頻率可以做得很高，T1變壓器的體積很小。整個充電電路工作在開關狀態(tài)，不再添加任何的控制模塊，由FPGA直接控制場效應管，電流檢測和電壓檢測電路的輸出也轉化為開關量直接傳給FPGA。

充電分為四個步驟：

a）檢測是否有電池單體低于2.5V，如有，使用5%的占空比對低于2.5V的電池輪流充電，使其升壓到2.5V；

b）打開J1和J8，對整體進行大電流充電，同時測量電池單體的電壓，如果有電池單體達到4.2V，進入下個步驟；

c）逐漸降低占空比，使單體電池的最高電壓維持在4.2V，直到占空比<5%；

d）對未到4.2V的電池進行輪流充電，當占空比均下降到5%時，充電結束。

這里需要說明的是，a）和d）步驟中輪流充電是通過開關矩陣實現(xiàn)的，并且輪流充電并不會延長充電時間，這是因為此時的占空比遠遠小于25%，可以在一個充電周期內(nèi)分別給四個電池充電。

3、過流和低壓保護

為了保證電池組的絕對安全，電池組的過流和低壓保護是獨立設置的，當出現(xiàn)問題時可直接切斷電池組的輸出，這種類型的電路也非常普遍。