電池管理系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)分析
來源：寶鄂實(shí)業(yè)
2019-11-17 20:44
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電池管理電路的設(shè)計(jì)思想
便攜式電動移動電源等電動汽車電力、汽車電源由一個電池單元,由于電池中固有的錯誤產(chǎn)品,來平衡這個錯誤使電池更好的工作,我們需要做BMS管理設(shè)計(jì)、電池管理電路設(shè)計(jì)怎么做?
整個電池管理系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)
整個電池管理系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)
應(yīng)用實(shí)體是一個工業(yè)上使用的便攜式電池組設(shè)備，它使用Altera的FPGA和NIOS
嵌入式處理器，通過USB接口與計(jì)算機(jī)相連，適用于大數(shù)據(jù)量應(yīng)用。該裝置需要30V直流電壓，計(jì)劃使用4組電池，1000毫安鋰聚合物電池串聯(lián)使用。此外，只有一個方形的USB接口(USBB)用于防水和防塵
Sockr型，該USB接口具有數(shù)據(jù)傳輸和充電同時(shí)進(jìn)行的功能。
控制核心包括FPGA及其連接接口和顯示電路，需要3.3v的低電壓，由高效率的DC/DC芯片直接從四芯鋰電池組獲得。這個電壓很重要，所以它需要穩(wěn)定和連續(xù)，直到電池組低電流或過電流保護(hù)。
驅(qū)動器需要30V直流電壓，電流約80mA。它使用一個由控制核心控制的升壓DC/DC電路。它在正常情況下不工作，但只在需要操作之前打開。
充電使用外部20V電源，通過USB接口連接。該電源適用于1C或0.5c大電流的高速充電。由于它與普通USB共用一個端口，所以在與普通USB連接時(shí)需要一個電壓判斷電路來避免進(jìn)入充電程序。
由于市場上很難找到合適的芯片解決方案，我決定利用FPGA剩余的邏輯資源來實(shí)現(xiàn)充電器的控制功能，并添加少量的模擬電路來輔助。這就要求控制電路的電源不能中斷，電池組必須始終在線，電池陰極必須始終連接到GND。
1. 電壓采樣
其中最重要的部分是電壓采樣電路的設(shè)計(jì)，該電路精度要求高，受溫度影響小。這個設(shè)計(jì)的難點(diǎn)是GND的電池電壓是浮動的。許多方案采用差分運(yùn)算放大器對地電壓進(jìn)行轉(zhuǎn)換，然后輸入專用的ADC進(jìn)行AD轉(zhuǎn)換。然而，由于差動運(yùn)算放大器的引入，產(chǎn)生了許多問題。首先，電壓比較高，運(yùn)放很難找到。其次，運(yùn)放的電源與輸入電壓使用相同的電源，所以運(yùn)放需要軌對軌的輸入功能。第三，可能需要一個負(fù)電源。使用直流電/直流電會產(chǎn)生噪音。此外，運(yùn)放和使用匹配電阻會降低精度。
RC充電電路
RC充電電路
為了盡可能地簡化電路，這里構(gòu)造了一個積分ADC，將FPGA時(shí)序精度轉(zhuǎn)換為電壓測量精度。工作流程如下:J1先關(guān)，C1上收費(fèi);然后J1打開，R1充電C1。電壓比較器U1將C1上的電壓與參考電壓V2進(jìn)行比較，當(dāng)C1電壓超過V2時(shí)輸出高電平。J1 on和U1輸出高電平之間的時(shí)間可以用來計(jì)算V1的電壓大小。你可以直觀地看到V1越高，這段時(shí)間越短。
實(shí)際采樣電路圖
實(shí)際采樣電路圖
實(shí)際電路如圖3所示。注意，此圖僅顯示第一電池的測量電路。其中R1、C1為積分使用電阻和電容，Q1為常用p-mosfet，通過J1、U5實(shí)現(xiàn)電容的放電功能
實(shí)現(xiàn)了電壓基準(zhǔn)和電壓比較器的雙重功能。X1是FPGA的放電控制，X2是FPGA的開關(guān)輸出。
該電路在靜態(tài)時(shí)只消耗MAX921的4uA電流和C1、Q1、Q2的泄漏電流，基本可以忽略不計(jì)，非常省電。
該電路的另一個特點(diǎn)是使用電容C2代替通常的光耦。在靜態(tài)時(shí)，C2兩端電壓平衡，不消耗電能。在這一點(diǎn)，X2的電壓是0。當(dāng)U5輸出高時(shí)，C2兩端的電壓不可能是瞬態(tài)的，所以增加了X2的電壓。D1和D2是具有限幅效應(yīng)的肖特基二極管。仔細(xì)調(diào)整C2和R4的值可以很容易地傳遞開關(guān)數(shù)量信息。
