引言

????? BMS AFE芯片作為電池管理系統(tǒng)的核心器件，在電池管理系統(tǒng)中承擔(dān)著重要角色。

華太電子擬對BMS AFE的常見問題做一些解答，全文分兩期，本期問答主要涵蓋BMS AFE應(yīng)用中的常見問題，比如量測功能、高邊/低邊驅(qū)動(dòng)、電壓采集、電流采集、被動(dòng)均衡、實(shí)時(shí)保護(hù)等。下期主要講解電池安全相關(guān)內(nèi)容：電池健康在線實(shí)時(shí)檢測和其他高階保護(hù)功能等。?????

Q1BMS AFE主要提供哪些測量功能？

在BMS的使用中，AFE主要實(shí)現(xiàn)以下測量功能：

電芯（CELL）電壓采集

電池組總電壓（BAT+）采集

電池包總電壓（PACK+）采集

使用NTC電阻對電芯溫度和放電MOSFET的溫度采集

電池充放電的電流采集

通過對上述狀態(tài)的檢測，電池管理系統(tǒng)可以完成電池的荷電狀態(tài)（簡稱SoC）和電池健康狀態(tài)（簡稱SoH）的計(jì)算，并為電池系統(tǒng)的安全運(yùn)行提供決策依據(jù).

Q2AFE芯片的高邊和低邊驅(qū)動(dòng)指的是什么，有什么區(qū)別？

首先，并不是所有AFE芯片都具備高低邊驅(qū)動(dòng)電路，部分AFE芯片僅提供電壓、電流和溫度測量。AFE通過獲取電池的電壓、電流和溫度信息來做出判斷，并通過其他芯片完成系統(tǒng)的充放電控制。接下來重點(diǎn)描述高低邊驅(qū)動(dòng)的差別。

高邊驅(qū)動(dòng)：

在充放電過程中，通過MOSFET或繼電器來控制PACK+與BAT+之間的通路，實(shí)現(xiàn)充放電路徑的使能或關(guān)閉。

集成高邊驅(qū)動(dòng)的AFE芯片

優(yōu)點(diǎn)：

即使主回路斷開，負(fù)極仍然連接，因此系統(tǒng)可以通過輔助電源獲取供電繼續(xù)工作，并且可以通過非隔離的接口與電池組進(jìn)行通信?？梢怨?jié)省了由于地?cái)嚅_之后，獨(dú)立隔離電源和隔離接口成本。同時(shí)，由于地回路常在，即使主回路斷開，當(dāng)系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)試時(shí)候，不會(huì)因?yàn)檎{(diào)試設(shè)備連接，造成風(fēng)險(xiǎn)。

缺點(diǎn)：

由于充放電主回路使用N型MOSFET，驅(qū)動(dòng)N型MOSFET需要比電池電壓更高的驅(qū)動(dòng)電壓，因此需要電荷泵才能打開，需要AFE芯片內(nèi)部集成高性能電荷泵芯片。

低邊驅(qū)動(dòng)：

在BAT-與Pack-之間增加MOSFET或繼電器，實(shí)現(xiàn)充放電使能或關(guān)閉。

集成低邊驅(qū)動(dòng)的AFE芯片

優(yōu)點(diǎn)：

設(shè)計(jì)簡單，因?yàn)镹型MOSFET開啟只需要比GND更高的電壓，而不需要額外的升壓驅(qū)動(dòng)電路。

缺點(diǎn)：

由于負(fù)極在切斷后，控制系統(tǒng)與電池之間的地?cái)嚅_，因此無論是電源還是通信都需要隔離，增加了設(shè)計(jì)成本。此外，如果在調(diào)試或使用中出現(xiàn)異常接地，可能會(huì)形成意外的導(dǎo)通，帶來一定的風(fēng)險(xiǎn)。

同時(shí)需要注意的是，在系統(tǒng)應(yīng)用中，不論是高邊還是低邊，使用MOSFET時(shí)的耐壓沒有本質(zhì)區(qū)別，因?yàn)樵诙搪非闆r下，MOSFET兩側(cè)都會(huì)有從電池正極到地的電壓。在更高功能安全系統(tǒng)中，可能會(huì)同時(shí)控制高邊和低邊，在單側(cè)故障無法關(guān)斷時(shí)，可以關(guān)斷另一側(cè)，從而降低系統(tǒng)不安全風(fēng)險(xiǎn)。

Q3BMS的Cell引腳提供哪些功能？

BMS的每個(gè)Cell引腳雖然只有2個(gè)或3個(gè)引腳，但其提供的功能卻非常豐富。

電壓采集：

這些引腳通過連接電芯的正負(fù)端，直接對電芯電壓進(jìn)行采樣。為了防止采樣過程中的干擾，通常在電芯和測量端之間安裝串聯(lián)電阻和并聯(lián)電容進(jìn)行濾波。電阻和電容除了濾波作用外，還可以抑制電池引線上的浪涌電壓和電流，從而保護(hù)AFE芯片。然而，電阻和電容的參數(shù)并不是越大越好，過大的RC會(huì)影響采樣的建立時(shí)間，因?yàn)锳FE的采樣大部分是通過內(nèi)部開關(guān)輪詢，過大的RC會(huì)降低采樣速度，或者引起采樣誤差。

實(shí)時(shí)檢測：

Cell引腳連接到內(nèi)部的比較器可以提供硬件保護(hù)功能，在出現(xiàn)電芯的過壓或欠壓時(shí)，AFE可以觸發(fā)保護(hù)，從而關(guān)斷充放電的MOSFET、繼電器或三端EFUSE器件，確保電芯在安全區(qū)間內(nèi)使用。

被動(dòng)均衡：

除了電壓采集和保護(hù)外，Cell引腳還連接到內(nèi)部的被動(dòng)均衡MOSFET，在滿足條件后可以開啟均衡。有些AFE設(shè)置獨(dú)立的均衡引腳，有些僅利用Cell的兩個(gè)引腳來實(shí)現(xiàn)均衡。設(shè)置獨(dú)立均衡引腳的優(yōu)點(diǎn)是可以單獨(dú)設(shè)置采樣濾波電阻和均衡電阻，不會(huì)形成耦合，但會(huì)占用獨(dú)立引腳且需要更多的外圍電阻。

斷線檢測：

AFE通常開啟內(nèi)部的恒流源進(jìn)行斷線檢測功能。如果電芯和AFE之間的連接斷開，恒流源會(huì)把并聯(lián)電容上的電荷泄放，從而使Cell端口電壓快速下降。如果電芯和測量引腳處于連接狀態(tài)，端口電壓將保持穩(wěn)定。

Q4BMS AFE芯片為什么要進(jìn)行電流測量？

電流作為電池管理系統(tǒng)的重要參數(shù)，對于電池SoC的估計(jì)非常關(guān)鍵，特別是對于磷酸鐵鋰電池，由于電壓平臺(tái)比較平坦，單獨(dú)利用電壓平臺(tái)較難準(zhǔn)確計(jì)算SoC的信息。通過電流檢測，結(jié)合卡爾曼濾波算法，可以更準(zhǔn)確地獲取SoC的信息。

庫侖計(jì)功能：

除了單獨(dú)電流檢測，部分AFE可以利用精確的電流檢測及庫侖計(jì)功能，對充放電電荷進(jìn)行連續(xù)累計(jì)。即使在主控MCU不干預(yù)的情況下，仍然可以獲取系統(tǒng)充放電電荷的信息。高精度和高速度采樣對于準(zhǔn)確計(jì)算電池包的電量非常重要。高精度可以對于電荷測試更加準(zhǔn)確，高速度能夠采集到負(fù)載變化時(shí)的峰值和谷值，從而提高積分顆粒度，使電荷計(jì)算更加準(zhǔn)確。

實(shí)時(shí)保護(hù)：

除了ADC測量外，電流通道還配置快速比較器模塊。一旦出現(xiàn)充電過流、放電過流或短路情況，AFE的邏輯控制電路可以快速關(guān)閉充電或放電的MOSFET或繼電器，從而保護(hù)電池包和負(fù)載。

總結(jié)

華太電子高集成的BMS AFE芯片，包含了電芯電壓、電池總壓、電池包總壓、芯片和外部NTC溫度以及電流的測量，上述狀態(tài)會(huì)被比較器實(shí)時(shí)監(jiān)控。在AFE芯片Cell端可以實(shí)現(xiàn)內(nèi)部均衡和斷線檢測，在電池Pack端可以實(shí)現(xiàn)充電器插入及負(fù)載移除的檢測。同時(shí)，內(nèi)部集成了高驅(qū)動(dòng)能力電荷泵及高邊充放電驅(qū)動(dòng)電路，充放電與保護(hù)檢測可以根據(jù)用戶配置實(shí)現(xiàn)聯(lián)動(dòng)?？紤]多芯片級聯(lián)使用場景，AFE 芯片也兼容低邊驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)。除了基本測量和保護(hù)之外，華太電子BMS AFE還提供了阻抗測量和高階保護(hù)功能，我們會(huì)在下期文章中進(jìn)行詳細(xì)的描述。

我們會(huì)持續(xù)針對BMS AFE芯片使用中的常見問題進(jìn)行總結(jié)，與客戶一起快速開發(fā)出高性能的電池管理系統(tǒng)。