电池管理系统(BMS)设计之高侧与低侧电池保护

BMS组成示意图

图中所示为亿能BMS，采用主从结构（Master-Slave），包含一个主控多个从控，每个从控最多管理60支电池。

主控与充电机、车辆控制器通过外部CAN总线通信，主控与手持设备通过RS232通信，主从之间通过内部CAN总线级联。

从控实现电压采集、温度采集、热管理，主控兼顾电流测量、绝缘检测以及与其他设备通信等功能。

高侧与低侧电池保护

设计 BMS 时，重要的是要考虑电池保护断路器的放置位置。通常，这些电路采用 N 沟道 MOSFET 实现，因为与 P 沟道 MOSFET 相比，它们的内阻较低。这些断路器可以放置在高压侧（电池的正极端子）或低压侧（电池的负极端子）。

高侧架构确保接地 （GND） 始终得到良好参考，从而避免出现短路时出现潜在的安全和通信问题。此外，干净、稳定的 GND 连接有助于减少参考信号波动，这对于 MCU 的精确操作至关重要。

然而，当 N 沟道 MOSFET 放置在电池正极端子时，驱动它们的栅极需要高于电池组电压的电压，这使得设计过程更具挑战性。因此，集成到 AFE 中的专用电荷泵通常用于高侧架构，这会增加总体成本和 IC 电流消耗。

对于低侧配置，不需要电荷泵，因为保护 MOSFET 放置在电池的负极。然而，在低侧配置中实现有效通信更加困难，因为当保护打开时没有 GND 参考。

MP279x 系列采用高侧架构，可提供强大的保护，同时最大限度地减少 BOM。此外，高精度电荷泵控制可实现 N 沟道 MOSFET 软开启功能，无需任何额外的预充电电路，从而进一步最小化 BOM 尺寸和成本。软开启是通过缓慢增加保护 FET 的栅极电压来实现的，从而允许小电流流过保护以对负载进行预充电（见图）。可以配置多个参数以确保安全转换，例如最大允许电流或保护 FET 关闭而不触发故障的时间。

图 ：MP279x 系列的软启动方案

电池管理系统（BMS）设计中的高侧与低侧电池保护是确保电池安全、高效运行的关键环节。这两种保护策略各自具有不同的特点和优势，并在BMS设计中发挥着重要作用。

高侧电池保护通常涉及将保护电路放置在电池的正极（高侧）处。这种设计可以确保始终保持良好的接地（GND）参考，从而避免出现短路时的潜在安全和通信故障。然而，这种设计也面临一些挑战，例如当N沟道MOSFET置于电池正极时，其栅极驱动电压需高于电池组电压，这对设计提出了较高要求。为了解决这一问题，可以采用专用电荷泵集成到AFE中的方法，但这会增加总成本和IC电流消耗。

相比之下，低侧电池保护将保护电路放置在电池的负极（低侧）。这种配置不需要电荷泵，因此成本相对较低。然而，在低侧配置中实现有效通信可能更加困难，因为在保护开启时没有GND参考。因此，在设计低侧电池保护时，需要特别关注通信的稳定性和可靠性。

无论采用高侧还是低侧电池保护策略，BMS设计的核心目标都是确保电池的安全运行和延长使用寿命。通过实时监控电池的电压、电流、温度等状态参数，BMS能够及时发现潜在的安全隐患，并采取相应的保护措施，如断开充放电回路、发出告警等。

如何正确选择BMS

正确选择电池管理系统（BMS）需要考虑多个因素，包括电池类型、应用场景、电池组的电压和电流值、电池倍率等。以下是一些建议，以帮助您正确选择BMS：

确定电池类型和规格：

根据您的应用场景和需求，确定所需的电池类型（如锂电池、铅酸电池等）和规格（如容量、电压等）。

确认电池组电压和电流值：

根据电池的单串电压和电池的串数，计算出电池组的总电压。不同类型的锂电池，其标压是不同的，因此要确保选择合适的保护板电压。

电流值的选择也十分重要。不同的应用场景所需的锂电池保护板电流不同，应选择有余量的保护板电流值。例如，两轮电动车通常选择理论值的2倍以上，三轮电动车选择理论值的3倍以上。

考虑电池倍率：

电池的放电倍率会影响保护板的选择。如果电池的放电倍率高于保护板的承受范围，可能会造成电池的损伤。

评估BMS的功能和性能：

选择BMS时，应考虑其是否能够实现对电池组的状态监测、均衡控制、充放电控制等功能。

BMS还应具备实时调整充放电策略的能力，以适应不同的应用场景和需求。

考虑兼容性和集成性：

确保所选BMS硬件与其他设备（如充电桩、电动汽车等）的兼容性。

测试BMS系统与其他系统（如充电系统、整车控制系统等）的集成效果，以确保整体运行的稳定性和可靠性。

考虑安全性和可靠性：

评估BMS的安全性能，如防雷、防火等。

进行可靠性测试，包括在各种环境下的模拟测试和长时间运行测试，以确保BMS的稳定性和可靠性。

参考相关标准和规范：

在选择BMS时，可以参考相关国家标准和行业标准，如GB/T《电动汽车用电池管理系统技术要求及试验方法》等。

考虑成本和服务：

根据预算选择合适的BMS产品，同时考虑供应商的服务质量和售后支持。