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摘要：得益于动力锂离子电池BMS技术和锂离子电池管理系统的日益成熟，成本的不断下降，以及欧美电动工具市场锂离子电池加速取代镍镉电池，锂离子电动工具和吸尘器市场发展迅速。从无绳电动工具和吸尘器的出货量趋势可以看出，随着无绳电动工具和吸尘器出货量的增加，锂离子无绳电动工具和吸尘器的出货量占比显著增加。
关键词；锂电池管理系统；BMS；硬件保护；模组设计；状态机； 锂电池管理系统BMS硬件保护系统架构由电池采样模组、电流检测模组、温度监控模组、通信模组、报警模组、负载/充电器检测模组、充/放电驱动模组以及数字控制硬核构成。为满足低功耗需求，基于集成电路工艺，采用分时控制方式，设计有限状态机对工作时序进行控制，实现对多节电池包的快速采样及保护，有效避免各类系统故障及风险。 浆浆在线一、硬件保护系统需求分析
1.电池包电芯电压系统需求。自索尼公司发布首个商用锂离子电池以来，锂离子电池以优异的性能在数码产品中得到广泛应用，并在逐步向其他产品应用领域发展。锂离子电池具有高
能量密度、长使用寿命、低自放电率、高功率承受力等优点，但由于锂电池组成物质非常活跃，错误使用会出现严重后果。特别是在锂电池电量已满的情况下继续充电会导致电解液分解、燃烧甚至爆炸等重大事故，因此对于电池包系统最基本也是最重要的系统需求即电芯过充电压保护。随着锂电材料的发展，特别是聚合物锂离子电池的成熟，对于过充电压保护的要求也逐渐提高，目前主流过充电压保护精度为4.2 V±25 mV即±0.5%的精度需求，高端产品则需要±20 mV以内的精度需求。而锂电池放电欠压虽然后果没有过充严重，但也会造成电池内压升高，正负极活性物质可逆性破坏，进而导致容量衰减退化，对于放电欠压保护的精度相较过充保护进度低，一般为±2%的精度需求。
双向dcdc变换器2.电池包温度系统需求。在所有环境因素中，温度对电池的充放电性能影响最大，温度高低与锂电池电极/电解液界面上的电化学反应相关。当温度过高会使锂离子流动异常，发生漏液、过流甚至爆炸。温度过低会使电池输出功率降低，但相比较低温放电，锂电池低温充电时由于锂离子来不及嵌入石墨负极，进而析出在负极金属锂枝晶，这会消耗电池中的锂离子、降低容量，甚至会刺穿隔膜，影响安全性能。因此，在BMS系统中需要对电池包的温度进行准确监控，在高温时需要禁止相关充电/放电操作，而在低温时则需要绝对禁止充电操作。BMS系统温度监控主要靠NTC电阻实现，根据NTC电阻温度特性及不同类型的
锂电池温度需求，设定对应的过/欠温保护阈值。
3.电池包充放电电流系统需求。在应用因素中，充/放电电流也会对电池包系统产生影响，最直观的影响即为充/放电引起电池包温度变化，另一方面电池包充/放电过大容易导致电解液分解造成电池臌胀甚至冒烟起火，因此对于电池包系统充/放电电流监控也是系统需求之一。一般对于充电电流监控采取单级保护机制，即发生充电过流后关闭放电管，等待一段时间后再恢复，系统表现为“脉冲”式充电直至充满。对于放电电流监控一般采取多级保护机制，当发生放电过流情况后会根据过流程度（过电流大小）进行层级控制，过流程度轻保护延时长，过流程度重（例如负载短路）则需要立即进行保护。
4.电池包其他方面系统需求。（1）可靠性系统需求：电池包使用场景复杂而且一般比较恶劣，因此需要系统有可靠的EOS、ESD防护能力。（2）安全性需求：人在使用电池包驱动的工具时，如果发生放电相关的保护，必须在确保负载断开后才可以恢复保护状态以确保人身安全。（3）低功耗需求：BMS系统不仅仅在正常工作时有功耗要求，在欠压进入休眠后、各通道采样电流等均有低功耗的设计需求。
二、BMS硬件保护系统架构设计实现贴片线圈
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在对BMS硬件保护系统进行需求分析后发现，虽然BMS硬件保护系统在各方面有很多系统需求，但是各个系统需求之间是相互独立的。因此可以使用模组化设计方法学对BMS硬件保护系统架构进行设计实现，基于模组化设计方法学，对BMS硬件保护系统各个系统需求进行模组化划分，其优点是可以根据不同系统需求对模组进行重组为系统客户提供便利的Design-In和Design-Win窗口。BMS硬件保护IC系统架构由电池采样模组、电流检测模组、温度监控模组、通信模组、报警模组、负载/充电器检测模组、充/放电驱动模组以及与之相连的数字控制硬核构成。下面对主要的模组进行详细说明。
1.电池采样模组。电池采样模组是系统的核心模组，用于对电池包各个电芯的电压进行检测并给出相应的过压/欠压信号至数字核进行相对应的操作，电平转移电路Levelshift将电池包中各节电芯电压转换为对参考地VSS的电压以便后续进行过压/欠压信号处理，决定采样精度主要有两个方面：电平转移电路自身的精度以及比较器失调电压，这在具体设计时都需要仔细考量。为满足低功耗需求，电平转移电路一般都是分时工作的，这里采用有限状态机对电平转移电路工作时序进行控制，采用状态机优点是状态机自身鲁棒性和扩展性，可以对状态机各个状态的不同时序进行分别控制以便达到多通道快速部署的目的。
2.电流检测模组及温度监控模组。BMS硬件保护IC系统中电流采样模组和温度监控模组的架构。电流采样模组输入信号为电流采样信号IS，通过模组内部充电过流检测、放电检测、放电过流1检测、放电过流n检测以及短路检测输出至数字核进行信号处理。为降低系统功耗温度监控模组采用与电池采样模组相同的分时技术，采用状态机控制零温度系数电流产生电路产生零温度系数电流，流经NTC电阻的电压输入到充/放电过温、充电欠温检测模块，检测结果输出至数字核进行信号处理。
3.数字控制硬核模组。数字控制硬核模组是整个BMS硬件保护IC系统的“大脑”，所有外围模组给出的信号都会输入至数字核模组，数字核模组根据相应保护策略给出控制信号用以控制外围相关模组工作状态。信号在数字核中有以下四种形态。（1）事件：指外围模组输出至数字核的初始信号。（2）延迟事件：由于电池包系统工况复杂，很有可能误触发事件，因此需要对相关时间进行延迟或者计数以避免误触发。（3）状态：延迟事件触发表明BMS系统出现异常，数字核需要将延迟事件与相关事件运算并锁存，最终锁存的结果称为状态。（4）操作：数字核根据各种状态组合向各个外围模块给出控制信号，称为操作。给出了BMS硬件保护IC系统数字控制硬核模组的架构图，时钟生成及时钟树为数字控制硬核提供基频工作时钟和延时计时频率。所有外围模组给到数字核的信号均认为事件输入，事
件输入进入数字核后经过事件缓冲器对事件信号进行缓冲整形。缓冲整形后的事件信号输入事件计时/计数器，由于外围模组给出的事件信号不同需要分别进行处理，实时工作模组给出的事件通过计时器计时、分时工作模组给出的事件通过计数器计数后给出延迟事件。延迟事件发生表明BMS系统出现异常，延迟信号进入状态处理器进行处理后进行锁存，锁存的信号为最终确认的需要进行系统进行操作处理的状态。得到的状态根据需要进行相应的信号处理后最终由数字核给出操作输出。
总之，高精度的过/欠电压检测：由于锂电充放电特性，系统必须精确检测过/欠压，以避免安全事故或锂电池损坏，通常精度要求在0.5%以内。对于BMS电池管理系统芯片，目前除了部分国外公司外，国内只有少数几家公司有相应的方案，且产品可靠性较差，因此需要可靠的BMS硬件保护系统架构填补这方面的空白。
参考文献：
[1]王萍.锂离子电池技术--研究进展与应用.2020.
[2]文慧园.浅谈锂电池管理系统BMS硬件保护系统架构设计实现.2021.
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