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，由于電池產品固有的(de)誤(wu)(wu)差(cha)，要(yao)平衡這(zhe)個誤(wu)(wu)差(cha)讓電池(chi)組更好的(de)工作，就需要(yao)做BMS管理(li)(li)設(she)計，那么電池(chi)組的(de)管理(li)(li)電路設(she)計怎么做呢？

電(dian)池組管理(li)系(xi)統整(zheng)體(ti)結構

設(she)(she)計的(de)(de)(de)應用(yong)(yong)(yong)實體(ti)是(shi)一(yi)個(ge)(ge)(ge)工業上使(shi)(shi)用(yong)(yong)(yong)的(de)(de)(de)便攜式電池組設(she)(she)備(bei)，采用(yong)(yong)(yong)Altera的(de)(de)(de)FPGA和其上的(de)(de)(de)NIOS II嵌(qian)入(ru)式處理(li)器，并使(shi)(shi)用(yong)(yong)(yong)USB接口(kou)與電腦相(xiang)連接，面向(xiang)的(de)(de)(de)是(shi)大數據量(liang)應用(yong)(yong)(yong)。這個(ge)(ge)(ge)設(she)(she)備(bei)需(xu)要30V直流電壓，所以計劃使(shi)(shi)用(yong)(yong)(yong)4個(ge)(ge)(ge)1000mAh鋰聚合(he)物電池串聯的(de)(de)(de)電池組；另外，出于(yu)防(fang)水防(fang)塵的(de)(de)(de)考慮(lv)，對(dui)外只(zhi)使(shi)(shi)用(yong)(yong)(yong)一(yi)個(ge)(ge)(ge)方形的(de)(de)(de)USB接口(kou)（USBB Type Sockr，這個(ge)(ge)(ge)USB口(kou)同時兼具數據傳輸和充電的(de)(de)(de)功能。

控制核(he)心包括FPGA及(ji)其所(suo)連(lian)的接(jie)口、顯示電(dian)路，需要(yao)(yao)3.3V的低(di)電(dian)壓(ya)，由高效率的DC/DC芯片從(cong)4芯鋰電(dian)池(chi)組直(zhi)接(jie)降壓(ya)得到。這個電(dian)壓(ya)很重要(yao)(yao)，所(suo)以(yi)需要(yao)(yao)保持穩(wen)定且(qie)連(lian)續，除非電(dian)池(chi)組低(di)電(dian)量或(huo)者過流(liu)保護，否(fou)則此電(dian)壓(ya)一直(zhi)供給。

執行機(ji)構需(xu)要(yao)30V直流電(dian)壓，電(dian)流大約(yue)80mA左右，使(shi)用一個升壓DC/DC電(dian)路，這(zhe)個電(dian)路由控制核心操縱，平時是不工作(zuo)的(de)，只在(zai)需(xu)要(yao)動作(zuo)之前開啟。

充(chong)電(dian)使(shi)用(yong)(yong)外部20V電(dian)源(yuan)，通過USB接(jie)口連(lian)接(jie)。使(shi)用(yong)(yong)這(zhe)種電(dian)源(yuan)的考慮是為了進行(xing)1C或0.5C大電(dian)流(liu)高速充(chong)電(dian)。由(you)于與(yu)普通USB共用(yong)(yong)一(yi)個端口，為了避(bi)免接(jie)入普通USB時進入充(chong)電(dian)程序，需要一(yi)個電(dian)壓判(pan)斷(duan)電(dian)路(lu)進行(xing)判(pan)斷(duan)。

由于(yu)合乎(hu)需(xu)要(yao)的(de)(de)芯片解(jie)決(jue)(jue)方案市(shi)場上很(hen)難尋覓，決(jue)(jue)定(ding)使用FPGA的(de)(de)剩(sheng)余邏輯(ji)資源來實現充電(dian)(dian)器的(de)(de)控制(zhi)功能，添加少量的(de)(de)模擬電(dian)(dian)路來輔助。這就要(yao)求(qiu)對(dui)控制(zhi)電(dian)(dian)路的(de)(de)供(gong)電(dian)(dian)不能中斷，電(dian)(dian)池組必須一(yi)直在線，并且電(dian)(dian)池負極需(xu)要(yao)一(yi)直與GND連接。

1、電壓采樣

最(zui)重要(yao)的(de)部分(fen)就(jiu)是電(dian)(dian)壓(ya)采樣(yang)電(dian)(dian)路的(de)設(she)計(ji)，要(yao)求精度高(gao)并且受溫度影(ying)響小。這(zhe)個設(she)計(ji)難點在于(yu)電(dian)(dian)池電(dian)(dian)壓(ya)對于(yu)GND而(er)言是浮動(dong)的(de)。很多(duo)方(fang)案采取了差分(fen)運(yun)放(fang)轉(zhuan)換到對地電(dian)(dian)壓(ya)然(ran)后輸(shu)入(ru)(ru)(ru)專(zhuan)用ADC進行AD變換的(de)方(fang)案。但這(zhe)個方(fang)案由于(yu)引(yin)入(ru)(ru)(ru)了差分(fen)運(yun)放(fang)，產生了許多(duo)問題。首先(xian)，電(dian)(dian)壓(ya)比(bi)較高(gao)，運(yun)放(fang)很難找；其次，運(yun)放(fang)的(de)電(dian)(dian)源與(yu)輸(shu)入(ru)(ru)(ru)電(dian)(dian)壓(ya)使用同一(yi)個電(dian)(dian)源，這(zhe)樣(yang)一(yi)來就(jiu)要(yao)求運(yun)放(fang)需(xu)要(yao)軌(gui)(gui)到軌(gui)(gui)輸(shu)入(ru)(ru)(ru)的(de)功能；再次，可能還需(xu)要(yao)一(yi)個負(fu)電(dian)(dian)源，使用DC/DC又(you)引(yin)入(ru)(ru)(ru)了噪聲；另(ling)外，運(yun)放(fang)及使用匹(pi)配的(de)電(dian)(dian)阻使得精度降(jiang)低。

RC充電電路

為了盡(jin)量(liang)簡(jian)化電(dian)(dian)(dian)(dian)路(lu)，這(zhe)里構(gou)造了積分型的(de)(de)ADC，將FPGA定時(shi)的(de)(de)高(gao)(gao)精度(du)(du)轉(zhuan)化為電(dian)(dian)(dian)(dian)壓(ya)測量(liang)的(de)(de)高(gao)(gao)精度(du)(du)。其工(gong)作(zuo)流程是：J1先(xian)閉合，釋放(fang)C1上的(de)(de)電(dian)(dian)(dian)(dian)荷；然后J1打開，由R1對C1進行充電(dian)(dian)(dian)(dian)；電(dian)(dian)(dian)(dian)壓(ya)比(bi)較器U1將C1上的(de)(de)電(dian)(dian)(dian)(dian)壓(ya)與參(can)考電(dian)(dian)(dian)(dian)壓(ya)V2比(bi)較，當C1電(dian)(dian)(dian)(dian)壓(ya)超(chao)過V2時(shi)輸出高(gao)(gao)電(dian)(dian)(dian)(dian)平。統計從J1打開到U1輸出高(gao)(gao)電(dian)(dian)(dian)(dian)平之(zhi)間(jian)的(de)(de)時(shi)間(jian)，便可(ke)以(yi)確定V1的(de)(de)電(dian)(dian)(dian)(dian)壓(ya)大小。可(ke)以(yi)直觀(guan)地看出，V1越高(gao)(gao)，這(zhe)段(duan)時(shi)間(jian)越短(duan)。

實際取樣電路圖

實(shi)(shi)際的電(dian)(dian)(dian)路如圖(tu)3所示，注意這幅圖(tu)只畫出(chu)了第一個電(dian)(dian)(dian)池的測量電(dian)(dian)(dian)路。其中(zhong)，R1與(yu)C1便(bian)是(shi)積分使用的電(dian)(dian)(dian)阻與(yu)電(dian)(dian)(dian)容，Q1是(shi)常用的P-MOSFET，這里用來實(shi)(shi)現J1給電(dian)(dian)(dian)容放(fang)電(dian)(dian)(dian)的功能，U5 同時實(shi)(shi)現電(dian)(dian)(dian)壓(ya)基準(zhun)與(yu)電(dian)(dian)(dian)壓(ya)比(bi)較(jiao)器雙重功能。X1是(shi)放(fang)電(dian)(dian)(dian)控制，來自(zi)FPGA，X2是(shi)開關(guan)量輸出(chu)，去往FPGA。

這個電(dian)路在(zai)靜態時(shi)僅僅消耗(hao)MAX921的4uA電(dian)流和(he)C1、Q1、Q2的漏電(dian)流，基本可以忽(hu)略不計，非常省電(dian)。

這個電(dian)(dian)(dian)路另外一個特(te)色是(shi)省掉了經常使(shi)用(yong)的光電(dian)(dian)(dian)耦合器，而使(shi)用(yong)電(dian)(dian)(dian)容(rong)C2代替。靜態時，C2兩端達(da)到電(dian)(dian)(dian)壓平(ping)衡(heng)，不消耗電(dian)(dian)(dian)能，此時，X2電(dian)(dian)(dian)壓為0。U5輸出高電(dian)(dian)(dian)平(ping)時，因為C2兩端電(dian)(dian)(dian)壓不能瞬變(bian)，故X2電(dian)(dian)(dian)壓被提升(sheng)。D1與(yu)D2兩個肖特(te)基二(er)極管是(shi)起(qi)限幅作用(yong)的。仔細調整C2與(yu)R4的值就能夠順利地傳遞開(kai)關量信息(xi)。

2、平衡充電

平(ping)衡充電(dian)(dian)是(shi)(shi)所有(you)(you)鋰電(dian)(dian)池(chi)組(zu)所需要的充電(dian)(dian)方(fang)式，但是(shi)(shi)很多(duo)小功(gong)率的應(ying)用中實際(ji)是(shi)(shi)沒有(you)(you)平(ping)衡充電(dian)(dian)的，如(ru)大多(duo)數的筆記本電(dian)(dian)腦電(dian)(dian)池(chi)組(zu)，這樣做實際(ji)上對電(dian)(dian)池(chi)壽(shou)命的影(ying)響是(shi)(shi)相當(dang)大的。

現有的(de)均衡(heng)技術主要分為電(dian)池(chi)(chi)間能(neng)量傳遞均衡(heng)和(he)外部能(neng)量輸(shu)入均衡(heng)。電(dian)池(chi)(chi)間能(neng)量均衡(heng)就是(shi)把(ba)高電(dian)量電(dian)池(chi)(chi)的(de)能(neng)量給低電(dian)量電(dian)池(chi)(chi)充電(dian)。這(zhe)種(zhong)方法最(zui)大的(de)問題就是(shi)控制起(qi)來很復雜(za)。

現在很多(duo)專用芯片或者單(dan)片機(ji)解(jie)決方(fang)案使(shi)用的(de)(de)是(shi)(shi)外(wai)部均(jun)衡(heng)的(de)(de)方(fang)式，這(zhe)(zhe)種(zhong)方(fang)式是(shi)(shi)通過可控制(zhi)的(de)(de)耗能(neng)來實現的(de)(de)。這(zhe)(zhe)種(zhong)方(fang)式中一(yi)般(ban)都是(shi)(shi)使(shi)用一(yi)個耗能(neng)元件來消耗能(neng)量(liang)，從而等待其他電池單(dan)元充滿或者降低某些單(dan)元的(de)(de)電壓。這(zhe)(zhe)種(zhong)方(fang)案的(de)(de)缺陷在于穩(wen)壓二極管上的(de)(de)耗能(neng)太大，造成的(de)(de)發熱量(liang)是(shi)(shi)不能(neng)忍(ren)受的(de)(de)。

當然，這(zhe)只是一個(ge)示(shi)意(yi)圖，不包(bao)括電流檢測電路（輸(shu)入到(dao)變壓器之間）和電壓檢測電路（變壓器次級(ji)繞組）。其中，開(kai)關(guan)陣列是用功率MOSFET實現。

這(zhe)種做法，管(guan)子都工(gong)作在(zai)開(kai)關(guan)狀(zhuang)態，耗能很(hen)少，另外電(dian)(dian)(dian)池沒有串聯二極(ji)管(guan)，可以獲得(de)(de)最(zui)大輸出(chu)。不足之處還是電(dian)(dian)(dian)路(lu)比較(jiao)復雜，由(you)于要匹配(pei)每個(ge)電(dian)(dian)(dian)池的(de)電(dian)(dian)(dian)壓(ya)，所以要求輸入充電(dian)(dian)(dian)電(dian)(dian)(dian)路(lu)是隔離(li)的(de)。這(zhe)里采用(yong)T1變(bian)(bian)壓(ya)器作為隔離(li)，因為開(kai)關(guan)頻率可以做得(de)(de)很(hen)高，T1變(bian)(bian)壓(ya)器的(de)體積(ji)很(hen)小(xiao)。整個(ge)充電(dian)(dian)(dian)電(dian)(dian)(dian)路(lu)工(gong)作在(zai)開(kai)關(guan)狀(zhuang)態，不再添加任(ren)何的(de)控制(zhi)模塊(kuai)，由(you)FPGA直接控制(zhi)場效應管(guan)，電(dian)(dian)(dian)流(liu)檢測和電(dian)(dian)(dian)壓(ya)檢測電(dian)(dian)(dian)路(lu)的(de)輸出(chu)也轉(zhuan)化為開(kai)關(guan)量直接傳(chuan)給FPGA。

充電分為四個步驟：

a）檢(jian)測是否有電(dian)池(chi)單體低于(yu)2.5V，如(ru)有，使用5%的占空比對低于(yu)2.5V的電(dian)池(chi)輪流充電(dian)，使其升壓到2.5V；

b）打開J1和(he)J8，對整體進(jin)行大電流(liu)充(chong)電，同(tong)時測(ce)量電池單體的電壓，如果有電池單體達到4.2V，進(jin)入下個(ge)步驟；

c）逐(zhu)漸降低占空比(bi)，使單體(ti)電池的最高電壓維持在4.2V，直到占空比(bi)<5%；

d）對未到4.2V的電池(chi)進行輪流(liu)充(chong)電，當占(zhan)空比均(jun)下降到5%時，充(chong)電結束。

這里需要說明的(de)(de)是(shi)，a）和d）步驟中輪流(liu)充電是(shi)通過開關矩陣實現的(de)(de)，并(bing)且(qie)輪流(liu)充電并(bing)不會延長充電時間，這是(shi)因為此(ci)時的(de)(de)占(zhan)空比遠遠小于(yu)25%，可以(yi)在一個充電周期內分(fen)別(bie)給四個電池充電。

3、過流和低壓保護

為了保證電(dian)(dian)池(chi)組(zu)(zu)的(de)絕(jue)對安(an)全(quan)，電(dian)(dian)池(chi)組(zu)(zu)的(de)過(guo)流和(he)低壓(ya)保護(hu)是(shi)獨立設置(zhi)的(de)，當出(chu)現問(wen)題時可(ke)直接(jie)切斷電(dian)(dian)池(chi)組(zu)(zu)的(de)輸出(chu)，這種類型的(de)電(dian)(dian)路也非常(chang)普遍。