1、摘要

近年來(lái)，隨著新國(guó)標(biāo)的施行，以及平衡車，滑板車，共享電單車等新應(yīng)用場(chǎng)景的出現(xiàn)，促使電動(dòng)兩輪車市場(chǎng)迎來(lái)了新的發(fā)展熱潮。

鋰電池因?yàn)榫哂心芰棵芏雀?，循環(huán)次數(shù)多等優(yōu)點(diǎn)而逐漸替代鉛酸電池，受到越來(lái)越多電動(dòng)兩輪車廠商的追捧。但因?yàn)殇囯姵叵啾茹U酸電池而言，安全性更差，因此需要嚴(yán)格的電池管理系統(tǒng)(Battery Management System, BMS)對(duì)鋰電池進(jìn)行監(jiān)控和保護(hù)。

而根據(jù)不同的用戶需求，往往需要選擇不同的 BMS 架構(gòu)，比如電摩需要實(shí)現(xiàn)更高功率，因此會(huì)使用多片 AFE 級(jí)聯(lián)以支持更多電池串?dāng)?shù)，又比如某些電動(dòng)自行車的充放電電流相差較大，會(huì)設(shè)置單獨(dú)的充放電路徑以優(yōu)化成本。

本文將介紹幾種常見的電動(dòng)兩輪車 BMS 架構(gòu)以及不同架構(gòu)的優(yōu)缺點(diǎn)及其使用場(chǎng)景。

2、電動(dòng)兩輪車 BMS 架構(gòu)

2.1 典型的電動(dòng)兩輪車BMS架構(gòu)

通常由電芯，模擬前端，二段保護(hù)，主控等組成。

其中， BQ77216 是一款單顆可支持 3-16S 的二段保護(hù)產(chǎn)品，不需要像傳統(tǒng)的采用多片級(jí)聯(lián)實(shí)現(xiàn) 16S 二次保護(hù)。并且相比傳統(tǒng)的二段保護(hù)產(chǎn)品， BQ77216 不僅具有過(guò)壓保護(hù)功能，而且還具備欠壓，過(guò)溫，開線等保護(hù)功能，滿足更多的設(shè)計(jì)需求。

BQ76952 是 TI 最新的支持 3-16S 的 AFE 產(chǎn)品，具有采樣精度高，集成高邊驅(qū)動(dòng)和可編程 LDO，支持脫離 MCU 獨(dú)立工作，支持亂序上電，功耗小等諸多優(yōu)點(diǎn)，而被廣泛應(yīng)用于電動(dòng)兩輪車領(lǐng)域。并且因?yàn)锽Q76952 具有 DCHG 和 DDSG Pin，分別實(shí)現(xiàn)對(duì) CHG 和 DSG Pin 的邏輯映射， 因此既能實(shí)現(xiàn)高邊驅(qū)動(dòng)的方案，也可以實(shí)現(xiàn)低邊驅(qū)動(dòng)的方案。同系列的產(chǎn)品還有 BQ76942 和 BQ769142，分別支持 3-10S和 3-14S 的電池包。

2.2 電動(dòng)兩輪車BMS架構(gòu)細(xì)分類

按照充電 FET (CFET)和放電 FET (DFET)的位置不同，可以將電動(dòng)兩輪車的 BMS 架構(gòu)分為以下四種：

2.1.1 高邊串聯(lián)架構(gòu)

CFET 和 DFET 都置于高邊，并且以串聯(lián)的形式連接，所以稱之為高邊串聯(lián)架構(gòu)。

2.1.2 高邊并聯(lián)架構(gòu)

CFET 和 DFET 都置于高邊，并且以并聯(lián)的形式連接，所以稱之為高邊并聯(lián)架構(gòu)。

2.2.3 低邊串聯(lián)架構(gòu)

CFET 和 DFET 都置于低邊，并且以串聯(lián)的形式連接，所以稱之為低邊串聯(lián)架構(gòu)。

2.2.4 低邊并聯(lián)架構(gòu)

CFET 和 DFET 都置于低邊，并且以并聯(lián)的形式連接，所以稱之為低邊并聯(lián)架構(gòu)。

3、選擇合適的電動(dòng)兩輪車 BMS 架構(gòu)

上述四種架構(gòu)的主要區(qū)別在于兩點(diǎn)：一個(gè)區(qū)別是 CFET， DFET 是置于高邊還是低邊；另一個(gè)區(qū)別是CFET， DFET 是串聯(lián)連接還是并聯(lián)連接。根據(jù)不同的應(yīng)用場(chǎng)合，應(yīng)該選取合適的 BMS 架構(gòu)。下面分別介紹在選取不同 BMS 架構(gòu)時(shí)的主要考慮。

3.1 高邊 or 低邊

3.1.1 高邊與低邊介紹

低邊方案是目前應(yīng)用比較成熟且比較容易實(shí)現(xiàn)的方案， 多數(shù)兩輪車也是基于低邊方案設(shè)計(jì)的。同時(shí)，目前大部分模擬前端也集成了低邊驅(qū)動(dòng)的能力， 比如我們上一代的經(jīng)典產(chǎn)品 BQ769x0 系列就是采用的低邊保護(hù)方案。

但是低邊保護(hù)方案存在一個(gè)缺點(diǎn)：當(dāng) CFET， DFET 關(guān)斷的時(shí)候，電池包的地和系統(tǒng)端的地不再共地，所以一旦有保護(hù)被觸發(fā)關(guān)斷充放電 FETs，電池端和系統(tǒng)端不再能夠?qū)崿F(xiàn)直接通信。若想繼續(xù)實(shí)現(xiàn)通信，則需要采用隔離通信，這不僅會(huì)增加成本，同時(shí)也會(huì)增加功耗，尤其是欠壓保護(hù)時(shí)，過(guò)大的通訊功耗對(duì)于原本就欠壓的電池包更是雪上加霜。因此低邊方案主要應(yīng)用于對(duì)成本更為敏感的沒(méi)有復(fù)雜通信的產(chǎn)品中。

相比較低邊保護(hù)，高邊保護(hù)方案即使在保護(hù)被觸發(fā)后，電池包和系統(tǒng)端仍然是共地的，因此仍然可以實(shí)現(xiàn)相互之間的通信，而無(wú)需增加隔離通信， 且觸發(fā)保護(hù)后斷開電池正端，系統(tǒng)更加安全。

3.1.2 部分示例

BQ76200 是一款低功耗的高邊 NFET 驅(qū)動(dòng) IC，支持充放電管單獨(dú)控制，具有很強(qiáng)的靈活性。可擴(kuò)展的charge pump 電容可保證多組并聯(lián) FETs 的驅(qū)動(dòng)能力，同時(shí)集成了 PACK 電壓采樣開關(guān)，方便通過(guò)MCU ADC 實(shí)現(xiàn) PACK 端電壓采樣。

相比于 BQ769x0 系列， BQ769x2 系列 AFE 因?yàn)楸旧砑闪烁哌咈?qū)動(dòng)能力，所以無(wú)需增加任何其他器件就可以實(shí)現(xiàn)高邊保護(hù)方案，可以幫助節(jié)省一顆高邊驅(qū)動(dòng)芯片。Figure 7 所示為典型的高邊串聯(lián)應(yīng)用電路，可以看到，通過(guò) BQ76952 的 CHG Pin 和 DSG Pin 就可以直接驅(qū)動(dòng)高邊的 CHG FET 和 DSGFET，簡(jiǎn)單方便又經(jīng)濟(jì)實(shí)惠。

BQ769x2 作為 TI 新一代的 AFE，相比 BQ769x0，除了集成高邊驅(qū)動(dòng)外，還具有支持串?dāng)?shù)更多，支持亂序上電，更多的工作模式和通信接口，采樣精度更高，保護(hù)功能更全，均衡能力更強(qiáng)等諸多優(yōu)點(diǎn)。

基于以上優(yōu)點(diǎn)，越來(lái)越多的低邊方案也開始使用 BQ769x2 進(jìn)行設(shè)計(jì)。BQ769x2 雖然沒(méi)有集成低邊驅(qū)動(dòng)，但是集成的 DDSG Pin 和 DCHG Pin， 可分別實(shí)現(xiàn)對(duì) DSG Pin 和 CHG Pin 的邏輯映射，利用這兩個(gè)引腳可以通過(guò)簡(jiǎn)單的電路輕松實(shí)現(xiàn)低邊保護(hù)的方案， Figure 8 所示為典型的基于 BQ769x2 的低邊保護(hù)電路。

3.2 串聯(lián)（同口） or 并聯(lián)（分口）

串聯(lián)架構(gòu)的充電口和放電口共用一個(gè)端口， 缺點(diǎn)是 CFET 和 DFET 的數(shù)量均需要按照充放電電流的最大值進(jìn)行選型， 若充電電流和放電電流相差比較大時(shí)，比如一般電動(dòng)車鋰電池包的充電電流要比放電電流小， 選擇串聯(lián)架構(gòu)，則需要選擇比實(shí)際需要更多的 CFET，造成不必要的浪費(fèi)。

并且無(wú)論是充電還是放電，所有的電流都需要經(jīng)過(guò) CFET 和 DFET，會(huì)產(chǎn)生更多的損耗和熱，一定程度上也減少了電池的有效容量。優(yōu)點(diǎn)是不需要考慮反向電流的問(wèn)題，因?yàn)?CFET 和 DFET 的背靠背連接可以阻斷反向電流。此外， 串聯(lián)架構(gòu)可以節(jié)省一根功率線和一個(gè)接線端子。

相比串聯(lián)架構(gòu)，并聯(lián)架構(gòu)可以按照實(shí)際的充放電電流需要分別選型 CFET 和 DFET 的數(shù)量和型號(hào)。并且無(wú)論是充電還是放電，都只經(jīng)過(guò)一級(jí) FET，所以損耗和發(fā)熱也都更少。缺點(diǎn)是需要考慮反向電流，如經(jīng) CFET 的體二極管流向充電口，或經(jīng)過(guò) DFET 的體二極管流向電芯，若要阻斷這些電流路徑，需要額外的電路輔助實(shí)現(xiàn)。

4、其他兩輪車 BMS 架構(gòu)

除了上述按照 CFET 和 DFET 的位置分類外，還可以按照模擬前端的數(shù)量， 有無(wú) MCU 等對(duì)兩輪車BMS 架構(gòu)進(jìn)行分類。

4.1 級(jí)聯(lián)架構(gòu)

按照模擬前端的數(shù)量，可以將兩輪車 BMS 分為級(jí)聯(lián)架構(gòu)和非級(jí)聯(lián)架構(gòu)。

目前主流的電動(dòng)兩輪車 BMS，如電動(dòng)自行車，滑板車，平衡車等，一般采用 10S， 14S 或者 16S 電池包，一顆 BQ769x2 就可以支持，所以對(duì)于目前主流的電動(dòng)兩輪車 BMS，采用上述單顆 AFE 方案即可，F(xiàn)igure 2 ~ Figure 5 均為非級(jí)聯(lián)架構(gòu)。但對(duì)于一些要求功率比較大的應(yīng)用場(chǎng)合，如電輕摩或者電摩，其電壓通常高于 60V，則需要采用高于 16 串的電池包來(lái)實(shí)現(xiàn)更大的功率，單顆 BQ76952 已經(jīng)不足以支持，需用采用兩顆進(jìn)行級(jí)聯(lián)使用，也就是采用級(jí)聯(lián)架構(gòu)。

因?yàn)?a href="http://m.sdkjxy.cn/v/tag/873/" target="_blank">高壓側(cè)的 BQ76952 是以低壓側(cè)的 Vstack作為參考地的，所以高壓側(cè) BQ76952 的通訊需要隔離 I2C。

4.2 獨(dú)立架構(gòu)

按照有無(wú) MCU，可以將兩輪車 BMS 分為獨(dú)立架構(gòu)和非獨(dú)立架構(gòu)。Figure 2 ~ Figure 5 均有 MCU 搭配工作，所以均為非獨(dú)立架構(gòu)。Figure 7 中 AFE 則脫離了 MCU 而獨(dú)立工作，所以為獨(dú)立(standalone)架構(gòu)。當(dāng) BQ769x2 工作在獨(dú)立模式時(shí)，仍然可以對(duì)電池狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)控，對(duì)充放電 FETs 進(jìn)行控制，當(dāng)觸發(fā)保護(hù)條件時(shí)，自行控制 FETs 關(guān)斷實(shí)施保護(hù)，當(dāng)保護(hù)條件撤去時(shí)，自行恢復(fù) FETs 導(dǎo)通。

獨(dú)立架構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)是可以節(jié)省一顆 MCU，適用于對(duì)成本要求較為苛刻的應(yīng)用場(chǎng)合。但是因?yàn)槿鄙?MCU，所以在靈活性上有所損失，用戶需要按照實(shí)際需求進(jìn)行選擇獨(dú)立還是非獨(dú)立 BMS 架構(gòu)。

文章摘自TI，知識(shí)傳播者，小飛哥目前剛好從事BMS相關(guān)開發(fā)

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審核編輯：郭婷