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华太电子BMS AFE芯片应用中的常见问题解答

华太电子 来源:华太电子 2024-12-09 09:41 次阅读

引言

‍‍‍‍‍ BMS AFE芯片作为电池管理系统的核心器件,在电池管理系统中承担着重要角色。

华太电子拟对BMS AFE的常见问题做一些解答,全文分两期,本期问答主要涵盖BMS AFE应用中的常见问题,比如量测功能、高边/低边驱动、电压采集、电流采集、被动均衡、实时保护等。下期主要讲解电池安全相关内容:电池健康在线实时检测和其他高阶保护功能等。‍‍‍‍‍

Q1BMS AFE主要提供哪些测量功能?

在BMS的使用中,AFE主要实现以下测量功能:

电芯(CELL)电压采集

电池组总电压(BAT+)采集

电池包总电压(PACK+)采集

使用NTC电阻对电芯温度和放电MOSFET的温度采集

电池充放电的电流采集

通过对上述状态的检测,电池管理系统可以完成电池的荷电状态(简称SoC)和电池健康状态(简称SoH)的计算,并为电池系统的安全运行提供决策依据.

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Q2AFE芯片的高边和低边驱动指的是什么,有什么区别?

首先,并不是所有AFE芯片都具备高低边驱动电路,部分AFE芯片仅提供电压、电流和温度测量。AFE通过获取电池的电压、电流和温度信息来做出判断,并通过其他芯片完成系统的充放电控制。接下来重点描述高低边驱动的差别。

高边驱动:

在充放电过程中,通过MOSFET或继电器来控制PACK+与BAT+之间的通路,实现充放电路径的使能或关闭。

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集成高边驱动的AFE芯片

优点:

即使主回路断开,负极仍然连接,因此系统可以通过辅助电源获取供电继续工作,并且可以通过非隔离的接口与电池组进行通信。可以节省了由于地断开之后,独立隔离电源和隔离接口成本。同时,由于地回路常在,即使主回路断开,当系统进行调试时候,不会因为调试设备连接,造成风险。

缺点:

由于充放电主回路使用N型MOSFET,驱动N型MOSFET需要比电池电压更高的驱动电压,因此需要电荷泵才能打开,需要AFE芯片内部集成高性能电荷泵芯片。

低边驱动:

在BAT-与Pack-之间增加MOSFET或继电器,实现充放电使能或关闭。

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集成低边驱动的AFE芯片

优点:

设计简单,因为N型MOSFET开启只需要比GND更高的电压,而不需要额外的升压驱动电路。

缺点:

由于负极在切断后,控制系统与电池之间的地断开,因此无论是电源还是通信都需要隔离,增加了设计成本。此外,如果在调试或使用中出现异常接地,可能会形成意外的导通,带来一定的风险。

同时需要注意的是,在系统应用中,不论是高边还是低边,使用MOSFET时的耐压没有本质区别,因为在短路情况下,MOSFET两侧都会有从电池正极到地的电压。在更高功能安全系统中,可能会同时控制高边和低边,在单侧故障无法关断时,可以关断另一侧,从而降低系统不安全风险。

Q3BMS的Cell引脚提供哪些功能?

BMS的每个Cell引脚虽然只有2个或3个引脚,但其提供的功能却非常丰富。

电压采集:

这些引脚通过连接电芯的正负端,直接对电芯电压进行采样。为了防止采样过程中的干扰,通常在电芯和测量端之间安装串联电阻和并联电容进行滤波。电阻和电容除了滤波作用外,还可以抑制电池引线上的浪涌电压和电流,从而保护AFE芯片。然而,电阻和电容的参数并不是越大越好,过大的RC会影响采样的建立时间,因为AFE的采样大部分是通过内部开关轮询,过大的RC会降低采样速度,或者引起采样误差。

实时检测:

Cell引脚连接到内部的比较器可以提供硬件保护功能,在出现电芯的过压或欠压时,AFE可以触发保护,从而关断充放电的MOSFET、继电器或三端EFUSE器件,确保电芯在安全区间内使用。

被动均衡:

除了电压采集和保护外,Cell引脚还连接到内部的被动均衡MOSFET,在满足条件后可以开启均衡。有些AFE设置独立的均衡引脚,有些仅利用Cell的两个引脚来实现均衡。设置独立均衡引脚的优点是可以单独设置采样滤波电阻和均衡电阻,不会形成耦合,但会占用独立引脚且需要更多的外围电阻。

断线检测:

AFE通常开启内部的恒流源进行断线检测功能。如果电芯和AFE之间的连接断开,恒流源会把并联电容上的电荷泄放,从而使Cell端口电压快速下降。如果电芯和测量引脚处于连接状态,端口电压将保持稳定。

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Q4BMS AFE芯片为什么要进行电流测量?

电流作为电池管理系统的重要参数,对于电池SoC的估计非常关键,特别是对于磷酸铁锂电池,由于电压平台比较平坦,单独利用电压平台较难准确计算SoC的信息。通过电流检测,结合卡尔曼滤波算法,可以更准确地获取SoC的信息。

库仑计功能:

除了单独电流检测,部分AFE可以利用精确的电流检测及库仑计功能,对充放电电荷进行连续累计。即使在主控MCU不干预的情况下,仍然可以获取系统充放电电荷的信息。高精度和高速度采样对于准确计算电池包的电量非常重要。高精度可以对于电荷测试更加准确,高速度能够采集到负载变化时的峰值和谷值,从而提高积分颗粒度,使电荷计算更加准确。

实时保护:

除了ADC测量外,电流通道还配置快速比较器模块。一旦出现充电过流、放电过流或短路情况,AFE的逻辑控制电路可以快速关闭充电或放电的MOSFET或继电器,从而保护电池包和负载。

总结

华太电子高集成的BMS AFE芯片,包含了电芯电压、电池总压、电池包总压、芯片和外部NTC温度以及电流的测量,上述状态会被比较器实时监控。在AFE芯片Cell端可以实现内部均衡和断线检测,在电池Pack端可以实现充电器插入及负载移除的检测。同时,内部集成了高驱动能力电荷泵及高边充放电驱动电路,充放电与保护检测可以根据用户配置实现联动。考虑多芯片级联使用场景,AFE 芯片也兼容低边驱动设计。除了基本测量和保护之外,华太电子BMS AFE还提供了阻抗测量和高阶保护功能,我们会在下期文章中进行详细的描述。

我们会持续针对BMS AFE芯片使用中的常见问题进行总结,与客户一起快速开发出高性能的电池管理系统。

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原文标题:华太产品|揭密BMS AFE应用,打造高安全的电池系统(上)

文章出处:【微信号:华太电子,微信公众号:华太电子】欢迎添加关注!文章转载请注明出处。

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