电池管理系统 (BMS) 通常由多个功能模块组成，包括截止场效应发射器 (FET)、电量监测器、电池电压监测器、电池电压平衡、实时时钟、温度监测器和状态机（图 1）。有多种 BMS IC 可供选择。
1. 电池管理系统 (BMS) 包括多个构建块。
功能块的分组变化很大，从简单的模拟前端到自主运行的独立集成解决方案。现在让我们来看看每个区块背后的目的和技术，以及每种技术的优缺点。
截止 FET 和 FET 驱动器
FET 驱动器功能块负责电池组在负载和充电器之间的连接和隔离。FET 驱动器的行为基于电池电压、电流测量和实时检测电路的测量。图 2 说明了负载和充电器以及电池组之间的两种不同类型的 FET 连接。
图 2A 需要最少数量的电池组连接，并将电池组工作模式限制为充电、放电或睡眠。电流流向和特定实时测试的行为决定了设备的状态。
2. 显示的是用于负载和充电器之间的单一连接 (A) 的截止 FET 示意图，以及允许同时充电和放电 (B) 的两端连接。
例如，ISL94203 有一个通道监视器 (CHMON)，用于监视截止 FET 右侧的电压。如果连接了充电器并且电池组与其隔离，则注入电池组的电流将导致电压上升到充电器的最大供电电压。CHMON 的电压电平被触发，这让 BMS 设备知道存在充电器。为了确定负载连接，将电流注入负载以确定是否存在负载。如果在注入电流时引脚上的电压没有显着上升，则结果确定存在负载。FET 驱动器的 DFET 然后打开。图 2B 中的连接方案允许电池组在充电时工作。
FET 驱动器可以设计为连接到电池组的高端或低端。高侧连接需要电荷泵驱动器来激活 NMOS FET。使用高边驱动器时，它允许为其余电路提供可靠的接地参考。在一些集成解决方案中可以找到低侧 FET 驱动器连接以降低成本，因为它们不需要电荷泵。它们也不需要消耗较大芯片面积的高压器件。在低端使用截止 FET 使电池组的接地连接浮动，使其更容易受到注入测量的噪声的影响。这会影响某些 IC 的性能。
电量计/电流测量
电量计功能块跟踪进出电池组的电荷。电荷是电流和时间的乘积。设计电量计时可以使用几种不同的技术。
电流检测放大器和具有嵌入式低分辨率模数转换器 (ADC) 的 MCU 是一种电流测量方法。电流检测放大器在高共模环境中工作，可放大信号，实现更高分辨率的测量。但是，这种设计技术牺牲了动态范围。
其他技术使用高分辨率 ADC 或昂贵的电量计 IC。了解负载行为的电流消耗与时间的关系决定了最佳的电量计设计类型。
最准确和最具成本效益的解决方案是使用具有低偏移和高共模额定值的 16 位或更高位 ADC 测量检测电阻器上的电压。高分辨率 ADC 以牺牲速度为代价提供大动态范围。如果电池连接到不稳定的负载，例如电动汽车，慢速 ADC 可能会错过传递给负载的高幅度和高频电流尖峰。
对于不稳定的负载，可能更需要带有电流检测放大器前端的逐次逼近寄存器 (SAR) ADC。任何偏移误差都会影响电池充电量的整体误差。随着时间的推移，测量误差会导致严重的充电状态电池组误差。测量电荷时，50 µV 或更小的测量偏移和 16 位分辨率就足够了。
电池电压和最大化电池寿命
监测电池组中每个电池的电池电压对于确定其整体健康状况至关重要。所有电池都有一个工作电压窗口，应该在该窗口进行充电/放电，以确保正常工作和电池寿命。如果应用使用锂化学电池，工作电压通常在 2.5 到 4.2 V 之间。电压范围取决于化学成分。在电压范围之外运行电池会显着降低电池的寿命并使其无用。
电池串联和并联以形成电池组。并联增加了电池组的电流驱动，而串联增加了总电压。电池的性能有一个分布：在时间为零时，电池组电池的充电和放电速率相同。随着每个电池在充电和放电之间循环，每个电池的充电和放电速率都会发生变化。这导致整个电池组的分布分布。
确定电池组是否已充电的一种简单方法是将每个电池的电压监测到设定的电压水平。第一个达到电压限制的电池电压会触发电池组充电限制。弱于平均水平的电池组会导致最弱的电池首先达到极限，从而使其余电池无法完全充电。
如上所述，充电方案不会使每次充电的电池组开启时间最大化。充电方案缩短了电池组的使用寿命，因为它需要更多的充电和放电循环。较弱的电池放电更快。也发生在放电循环中；较弱的电池首先超出放电限制，其余电池剩余电量。
有两种方法可以提高每次电池组充电的开启时间。第一个是在充电周期中减慢对最弱电池的充电速度。这是通过将旁路 FET 与电池两端的限流电阻连接来实现的（图 3A）。它从电流最大的电池中获取电流，从而导致电池充电速度减慢。结果，其他电池组电池能够赶上。最终目标是通过使所有电池同时达到完全充电极限来最大化电池组的充电容量。
3. 旁路电池平衡 FET 有助于在充电周期 (A) 期间减慢电池的充电速率。在放电循环期间使用主动平衡从强电池窃取电荷并将电荷提供给弱电池 (B)。
第二种方法是通过实施充电-置换方案来平衡电池组的放电循环。它是通过电感耦合或电容存储从 alpha 电池中获取电荷并将存储的电荷注入最弱的电池来实现的。这减慢了最弱电池达到放电极限所需的时间，也称为主动平衡（图 3B）。
温度监测
今天的电池在保持恒定电压的同时提供大量电流。这可能会导致失控情况，从而导致电池着火。用于制造电池的化学物质具有高度挥发性——用正确的物体刺穿电池也会使电池着火。温度测量不仅用于安全，还可以确定是否需要对电池进行充电或放电。
温度传感器监控每个电池的能量存储系统 (ESS) 应用或一组电池以用于更小和更便携的应用。由内部 ADC 电压基准供电的热敏电阻通常用于监控每个电路的温度。此外，内部电压基准有助于减少温度读数相对于环境温度变化的不准确性。
其他 BMS 构建块
其他功能 BMS 模块可能包括电池认证、实时时钟 (RTC)、内存和菊花链。RTC 和内存用于黑盒应用——RTC 用作时间戳，内存用于存储数据。这让用户在灾难性事件之前了解电池组的行为。电池认证模块可防止 BMS 电子设备连接到第三方电池组。电压基准/稳压器用于为 BMS 系统周围的外围电路供电。最后，菊花链电路用于简化堆叠设备之间的连接。菊花链模块取代了对光耦合器或其他电平转换电路的需求。