关键词:
锂电池组
电池管理芯片
故障监测
均衡管理
摘要:
随着锂离子电池技术的不断演进,动力锂离子电池与储能锂离子电池在生活中应用越来越广泛。为了解决锂离子电池在使用中不安全的问题,需要BMS芯片来对锂离子电池使用过程进行实时监测与管理。BMS芯片采样的精度直接影响电池管理系统对电池组的状态判断结果,因此高精度采样是保护功能可靠的前提条件。单颗BMS芯片管理更多节数串联的高压电池组,可以减小电池管理系统的集成复杂度。因此设计一款高电压高精度BMS芯片是有重要应用意义的。BMS芯片最重要的功能特征是对锂离子电池组的保护与管理功能,主要包括各类电压与电流故障监测、均衡管理、充放电回路的控制等。本文设计实现了高电压高精度BMS芯片中的数字保护子系统。
首先对该款BMS芯片的功能特性、应用方案以及芯片设计结构进行了研究。提出了数字控制器的设计需求,并做了相应功能子系统划分。针对数字控制器中数字保护子系统的具体实现方式,划分了功能逻辑,详细分析了工作模式控制、初级保护、二级保护、均衡管理、状态检测与MOS管驱动控制等各功能单元的功能逻辑细节。
确定数字保护子系统整体设计结构之后,接着根据各部分功能模块要求进行了RTL设计实现。针对工作模式控制模块设计了工作模式状态机,并围绕状态机各部分检测条件设计功能逻辑;初级保护功能的设计分为电压/电流保护与温度保护两部分实现,共设计两种初级保护核心故障检测状态机,实现了复用比较器的调度模块以及温度的最值与均值计算逻辑;二级保护模块设计了故障检测状态机与各部分检测条件的逻辑;均衡管理模块中设计了可以执行四种均衡策略的状态机组合,并设计了均衡执行过程中的调度逻辑;设计完成了芯片的MOS管驱动逻辑以及负载检测、断线检测等状态检测逻辑。
最后整合数字保护子系统各部分设计模块,连接数字通信子系统组成完整数字控制器待测设计,设计模拟电路验证模型,搭建了验证平台。结合各部分设计的关键功能点设计激励输入,完成验证工作,数字保护子系统各部分功能均符合预期。