電池管理系統 (BMS) 通常由多個功能模塊組成，包括截止場效應發射器 (FET)、電量監測器、電池電壓監測器、電池電壓平衡、實時時鐘、溫度監測器和狀態機（圖 1）。有多種 BMS IC 可供選擇。

1. 電池管理系統 (BMS) 包括多個構建塊。

功能塊的分組變化很大，從簡單的模擬前端到自主運行的獨立集成解決方案。現在讓我們來看看每個區塊背后的目的和技術，以及每種技術的優缺點。

截止 FET 和 FET 驅動器

FET 驅動器功能塊負責電池組在負載和充電器之間的連接和隔離。FET 驅動器的行為基于電池電壓、電流測量和實時檢測電路的測量。圖 2 說明了負載和充電器以及電池組之間的兩種不同類型的 FET 連接。

圖 2A 需要最少數量的電池組連接，并將電池組工作模式限制為充電、放電或睡眠。電流流向和特定實時測試的行為決定了設備的狀態。

2. 顯示的是用于負載和充電器之間的單一連接 (A) 的截止 FET 示意圖，以及允許同時充電和放電 (B) 的兩端連接。

例如，ISL94203 有一個通道監視器 (CHMON)，用于監視截止 FET 右側的電壓。如果連接了充電器并且電池組與其隔離，則注入電池組的電流將導致電壓上升到充電器的最大供電電壓。CHMON 的電壓電平被觸發，這讓 BMS 設備知道存在充電器。為了確定負載連接，將電流注入負載以確定是否存在負載。如果在注入電流時引腳上的電壓沒有顯著上升，則結果確定存在負載。FET 驅動器的 DFET 然后打開。圖 2B 中的連接方案允許電池組在充電時工作。

FET 驅動器可以設計為連接到電池組的高端或低端。高側連接需要電荷泵驅動器來激活 NMOS FET。使用高邊驅動器時，它允許為其余電路提供可靠的接地參考。在一些集成解決方案中可以找到低側 FET 驅動器連接以降低成本，因為它們不需要電荷泵。它們也不需要消耗較大芯片面積的高壓器件。在低端使用截止 FET 使電池組的接地連接浮動，使其更容易受到注入測量的噪聲的影響。這會影響某些 IC 的性能。

電量計/電流測量

電量計功能塊跟蹤進出電池組的電荷。電荷是電流和時間的乘積。設計電量計時可以使用幾種不同的技術。

電流檢測放大器和具有嵌入式低分辨率模數轉換器 (ADC) 的 MCU 是一種電流測量方法。電流檢測放大器在高共模環境中工作，可放大信號，實現更高分辨率的測量。但是，這種設計技術犧牲了動態范圍。

其他技術使用高分辨率 ADC 或昂貴的電量計 IC。了解負載行為的電流消耗與時間的關系決定了最佳的電量計設計類型。

最準確和最具成本效益的解決方案是使用具有低偏移和高共模額定值的 16 位或更高位 ADC 測量檢測電阻器上的電壓。高分辨率 ADC 以犧牲速度為代價提供大動態范圍。如果電池連接到不穩定的負載，例如電動汽車，慢速 ADC 可能會錯過傳遞給負載的高幅度和高頻電流尖峰。

對于不穩定的負載，可能更需要帶有電流檢測放大器前端的逐次逼近寄存器 (SAR) ADC。任何偏移誤差都會影響電池充電量的整體誤差。隨著時間的推移，測量誤差會導致嚴重的充電狀態電池組誤差。測量電荷時，50 µV 或更小的測量偏移和 16 位分辨率就足夠了。

電池電壓和最大化電池壽命

監測電池組中每個電池的電池電壓對于確定其整體健康狀況至關重要。所有電池都有一個工作電壓窗口，應該在該窗口進行充電/放電，以確保正常工作和電池壽命。如果應用使用鋰化學電池，工作電壓通常在 2.5 到 4.2 V 之間。電壓范圍取決于化學成分。在電壓范圍之外運行電池會顯著降低電池的壽命并使其無用。

電池串聯和并聯以形成電池組。并聯增加了電池組的電流驅動，而串聯增加了總電壓。電池的性能有一個分布：在時間為零時，電池組電池的充電和放電速率相同。隨著每個電池在充電和放電之間循環，每個電池的充電和放電速率都會發生變化。這導致整個電池組的分布分布。

確定電池組是否已充電的一種簡單方法是將每個電池的電壓監測到設定的電壓水平。第一個達到電壓限制的電池電壓會觸發電池組充電限制。弱于平均水平的電池組會導致最弱的電池首先達到極限，從而使其余電池無法完全充電。

如上所述，充電方案不會使每次充電的電池組開啟時間最大化。充電方案縮短了電池組的使用壽命，因為它需要更多的充電和放電循環。較弱的電池放電更快。也發生在放電循環中；較弱的電池首先超出放電限制，其余電池剩余電量。

有兩種方法可以提高每次電池組充電的開啟時間。第一個是在充電周期中減慢對最弱電池的充電速度。這是通過將旁路 FET 與電池兩端的限流電阻連接來實現的（圖 3A）。它從電流最大的電池中獲取電流，從而導致電池充電速度減慢。結果，其他電池組電池能夠趕上。最終目標是通過使所有電池同時達到完全充電極限來最大化電池組的充電容量。

3. 旁路電池平衡 FET 有助于在充電周期 (A) 期間減慢電池的充電速率。在放電循環期間使用主動平衡從強電池竊取電荷并將電荷提供給弱電池 (B)。

第二種方法是通過實施充電-置換方案來平衡電池組的放電循環。它是通過電感耦合或電容存儲從 alpha 電池中獲取電荷并將存儲的電荷注入最弱的電池來實現的。這減慢了最弱電池達到放電極限所需的時間，也稱為主動平衡（圖 3B）。

溫度監測

今天的電池在保持恒定電壓的同時提供大量電流。這可能會導致失控情況，從而導致電池著火。用于制造電池的化學物質具有高度揮發性——用正確的物體刺穿電池也會使電池著火。溫度測量不僅用于安全，還可以確定是否需要對電池進行充電或放電。

溫度傳感器監控每個電池的能量存儲系統 (ESS) 應用或一組電池以用于更小和更便攜的應用。由內部 ADC 電壓基準供電的熱敏電阻通常用于監控每個電路的溫度。此外，內部電壓基準有助于減少溫度讀數相對于環境溫度變化的不準確性。

其他 BMS 構建塊

其他功能 BMS 模塊可能包括電池認證、實時時鐘 (RTC)、內存和菊花鏈。RTC 和內存用于黑盒應用——RTC 用作時間戳，內存用于存儲數據。這讓用戶在災難性事件之前了解電池組的行為。電池認證模塊可防止 BMS 電子設備連接到第三方電池組。電壓基準/穩壓器用于為 BMS 系統周圍的外圍電路供電。最后，菊花鏈電路用于簡化堆疊設備之間的連接。菊花鏈模塊取代了對光耦合器或其他電平轉換電路的需求。