BMS进阶（Type-C、PD快充、充电IC、SOC算法、电池管理IC）

2023/12/28更新

距离上次更新已经快大半年了，现在也进入了电池包智能充电器行业。最近测试了很多数据，这里选取了某一次测试的充电曲线。发现之前从MPS摘取的充电曲线图，跟我做的方案是如此之相似。所以在这里记录一下。

MP2759A的电池充电曲线

1.前言

本文是一文入门BMS（电池管理系统）_bms电池管理_TianYaKe-天涯客的博客-CSDN博客的续篇。

本文基于MPS的《电源管理贴士》而作。该文章主要是对BMS做一个进阶的介绍，关于Type-c、PD快充协议、充电IC、电池管理IC等，借此希望你我对BMS从入门到入土。

有纰漏请指出，转载请说明。

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2.本文相关名词

SOH	State of Health，电池的健康程度
SOC	State of Charge，充电状态，取值通常是0%~100%
BMS	Battery Management System，电池管理系统
PD	Power Delivery，电源递送，一种快充协议
AFE	analog front end，模拟前端
OCV	Open Circuit Voltage，开路电压

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3.便携式设备的BMS为什么倾向于用Type-C接口？

对于电池管理系统（Battery Management System，BMS）和Type-C接口的结合，也有一些优势和好处：

1. 快速充电：Type-C接口支持更高的功率输出，最高可达100W。这对于电动车或储能系统等需要大容量电池充电的应用十分重要。通过Type-C接口连接BMS，可以实现更快速的充电，提高电池的充电效率和便利性。

2. 数据传输和监测：Type-C接口不仅可以传输电力，也可以传输数据。这意味着BMS可以通过Type-C接口直接与计算机、智能手机等设备连接，实时传输电池的状态、温度、电压等数据信息。这对于监测电池性能、进行电池管理和故障诊断非常有帮助。

3. 多功能性和可扩展性：Type-C接口支持多种协议，包括通用的USB协议、显示协议（如HDMI、DisplayPort）和高速传输协议（如Thunderbolt）。这可以为BMS提供更多的功能和扩展选项。例如，BMS可以通过Type-C接口连接外部显示器或其他设备，实时显示电池状态信息或进行数据分析。

4. 便捷的连接：Type-C接口具有可逆插拔的特点，插头可以任意方向插入，无需担心插入方向错误。这使得连接BMS更加方便快捷，减少了错误插入的可能性，提高了使用效率。

综上所述，将BMS与Type-C接口结合使用可以带来快速充电、数据传输和监测、多功能和可扩展性以及便捷的连接等优势。这样的集成可以提高电池管理系统的效能和用户体验。

USB Type-C 电源检测

 USB Type-C 连接器有特定的电源检测和协商接口。USB Type-A 电源持续输出 5V 电压，而 USB Type-C 电源则通常处于关闭状态，只有当用户将 USB Type-C 电缆插入设备时，电源才打开。这是因为 USB Type-C 连接器通过单独的配置通道 (CC) 引脚提供检测功能，只有在检测到电缆两端的连接时才打开电源。

此外，CC 引脚还提供电流水平检测功能，并实现电源（供电端）和耗电端（接收端）之间的角色定位。这项功能使 USB Type-C 产品能够兼容传统 的 5V USB 产品；与此同时，还能利用 CC 引脚进行功率协商，通过 USB 供电 (USB PD) 协议实现更高功率的检测。 此外，USB PD 允许双向功率流动，这意味着设备可以提供或者接收功率；不像单向连接器，例如 micro-B USB，只能接收功率。广泛的功率传输范围意味着带 PD 功能的 USB Type-C 既可以轻松为智能手机充电，又可以为笔记本电脑充电。

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3.PD快充协议是什么？

USB PD（Power Deliver）协议是USB IF协会制定的USB充电标准与技术，是目前主流的快充协议之一，其最大供电功率可达100W。

USB PD协议（以下简称PD协议）是基于Type-C接口的一种快充协议。Type-C接口默认最大支持5V/3A，但在实现了PD协议以后，能够使输出功率最大支持100W。

USB PD 可以提供高达 240W 的功率，并且支持双向操作，这意味着它可以提供或者接收功率。非 PD 的 USB Type-C 源可以提供最高 15W 的功率 (5V/3A)，而 USB PD 源可以提供超过 5V 的电压，因此功率也超过 15W。功率传输提高意味着 USB PD 可以比传统连接器更快地为设备充电。

此外，USB PD 还指定了供电端和接收端的电压和电流容限。 支持 USB PD 的产品需要两颗额外的芯片，即 PD 控制器，一颗芯片在电源中（供电端），另一颗 在便携式设备中（接收端）。产品利用两颗芯片的 CC 线通过电缆进行通信。供电端传达它可以支持的电压和电流，而接收端（例如扬声器或手机）则传达它需要的电压和电流。供电端相应调整 其输出电压，以确保将最佳电压和电流量输送到接收端。由于这两颗芯片增加了成本，因此 USB PD 通常不会用于功率低于 15W 的应用。

这里的PD很有趣，就像是水池和水桶两边各有一人，水桶那边的人说，我要粗一点的水管但是慢一点的水流，水池那边的人就相应地开给他接水。这样的话，不管是什么样的设备，只要供电端和接收端都有PD控制器，只需一根Type-C线，就可以满足大部分的充放电场景。

笔者总结一下，为什么要用Type-C和USB PD？

1.以前各种接口（DC电源插头、Type-A、Type-B、mini USB、HDMI）非常混乱，不同的设备有不同的插口，有些只能传输信息、有些只能低功率充电。而Type-C和USB PD（也可以是其他快充协议）的出现，使得不管是充电还是传输信息，只需一根线即可。

2.Type-C和USB PD标准通过具有高级协议的双向通信，可以提供更高级别的电源管理和安全特性。BMS可以利用这些特性来监测和控制充电过程，以确保电池的安全性和稳定性。

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4.充电IC的原理

与其他化学成分的电池相比，锂离子电池是能量密度最高的电池之一，其单节电池提供的电压更高，承受的电流也更大，而 且在电池满电时无需涓流充电。不过，锂离子电池没有记忆效应，这意味着它 不会“记住”在电量完全耗尽之前剩余的电量。锂离子电池必须采用特殊的恒流 恒压 (CC-CV) 充电曲线进行充电，充电曲线可根据电池温度和电压水平自动调整。

 充电IC（充电管理芯片）是用于管理和控制充电过程的集成电路。它负责监测充电电流、电压等参数，并根据电池状态和用户需求进行适当的调整，以实现安全、高效的充电。 充电IC的基本原理如下：

1. 电流检测：充电IC会通过测量电流感应电阻或利用电流检测电路来监测充电电流。电流检测可以帮助判断电池的充电状态和充电速度，并保证充电电流不超过电池的额定值。

2. 电压检测：充电IC会监测充电电压，以确保充电电压在安全范围内。它可以检测电池的电压及充电设备的输出电压，以避免过高或过低的电压对电池造成的损害。

3. 温度检测：充电IC会监测电池的温度，以防止过热情况的发生。当电池温度超过安全范围时，充电IC会采取相应的措施，如降低充电电流或中断充电过程，以保护电池安全。

4. 充电模式控制：充电IC可以根据电池类型和用户需求选择不同的充电模式，如恒流充电、恒压充电或渐进充电等。它会根据实时的电池状态和充电过程进行调整，以提供最佳的充电效果。

5. 安全保护功能：充电IC还具有多项安全保护功能，如电池过充保护、过放保护、短路保护等。当检测到异常情况时，充电IC会中断充电过程或采取相应的措施，以保护电池和充电设备的安全。

综上所述，充电IC通过实时监测和控制充电参数，以确保充电过程的安全和高效性。它起到了管理和保护电池的重要作用，是充电设备中不可或缺的组成部分。

充电器 IC 拓扑主要有两种类型：线性充电器 IC 和开关充电器 IC，后者可进一步分为升压、降压和升降压充电器 IC。

MP2759A的电池充电曲线

1. 涓流充电：涓流充电阶段通常只在电池电压低于一个极低水平（约 2.1V）时采用。在这种状态下，电池组的内部保护 IC 可能由于深度放电 或发生过流事件已经断开了电池。充电器 IC 提供一个小电流（通常为 50mA）为电池组的电容充电，以触发保护 IC ，合上其 FET 重新连接电池。虽然涓流充电通常只持续几秒钟，但充电器 IC 仍然需要集成一个定时器。如果电池组在一定时间内未重新连接，则定时器停止充电，因为这表明电池已损坏。

2. 预充电：一旦电池组重新连接或处于放电状态，就进入预充电阶段。预充电期间，充电器 IC 开始以一个较低的电流水平为耗尽的电池安全充电， 该电流通常为 C / 10（C 为容量，以 mAh 为单位）。预充电使电池电压缓慢上升。其目的是在低电流水平下对电池进行安全的充电，以防止损坏 电池，直到其电压达到一个较高的水平。

3. 恒流（CC）充电: 恒流（CC）充电也被称作快速充电阶段，恒流充电在预充电之后开始，一旦电池电压达到每节 3V 左右即开始恒流充电。在恒流充电阶段，电池可以安全地处理 0.5C 至 3C 之间的较高充电电流。恒流充电会持续到电池电压达到“满电”或浮动电压 水平，然后进入恒压充电阶段。

4. 恒压（CV）充电: 锂电池的恒压（CV）阈值通常为每节 4.1V 至 4.5V。充电器 IC 会在恒流充电期间监测电池电压。一旦电池达到恒压充电阈值， 充电器 IC 就会从恒流转换至恒压调节阶段。当充电器 IC 监测到外部电池 组电压超过了电池组中的实际电池电压，就开始执行恒压充电。这是由于存在内部电池电阻、PCB 电阻和来自保护 FET 和单电池的等效串联电阻 (ESR)。充电器 IC 不应允许电池电压超过其最大浮动电压，以保证安全的 运行。

5. 充电截止: 当恒压充电阶段，当流入电池的电流降至设定阈值（约为 C / 10）以下时，充电器 IC 即终止充电周期。此时，电池被认为已充满电，充电完成。如果充电器 IC 的充电截止功能被禁用，充电电流会自然衰减至 0mA，但实际中很少这样做。因为在恒压充电期间，进入电池的电荷量呈指数级下降（因为电池电压的增大就如同一个大电容器），在容量增加极少的情况下，为电池充电需要非常长的时间。  

 如果充电器 IC 提供可配置功能，设计人员将能够为这些充电阶段设置自己的阈值。由于大多数电池制造商只为不同的最大充电电流水平设定同一阈值，因此阈值可配置功能非常有用。可配置的阈值能够提供一层额外的安全保护，保护电池免受过压、过热条件以及过载的影响，从而避免电池的永久损坏或容量降级。

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5.AFE在BMS中的作用

在电池管理系统（BMS）中，AFE（模拟前端）起着重要的作用，用于接口和处理电池相关的模拟信号。以下是AFE在BMS中的一些应用：

1. 电流测量：AFE用于测量电池的充放电电流。它采集电池的模拟电流信号并进行放大、滤波和转换为数字形式，以提供准确的电流信息给BMS。

2. 电压测量：AFE用于测量电池的电压。它连接到电池的正负极，并对电压信号进行采集、放大、滤波和ADC转换，以提供准确的电压数据给BMS。

3. 温度测量：AFE用于测量电池的温度。它连接到电池温度传感器，并处理传感器输出的模拟信号。AFE可以提供准确的温度数据给BMS，以监测电池的温度状态。

4. 电池模块监测：对于由多个电池组成的电池组，AFE可以连接到每个电池模块，并进行电流、电压和温度的测量。这样可以实现对每个电池模块的状态监测和故障检测，以确保整个电池组的安全和可靠性。

5. 电池均衡控制：一些高级的AFE可能包含电池均衡控制功能。它可以监测每个电池模块的电压差异，并通过控制均衡电路来调整充电或放电过程，以平衡电池模块之间的电荷状态。

通过使用AFE，BMS能够准确地监测和测量电池的状态参数，包括电流、电压和温度等。这些数据对于电池的安全管理、状态评估和性能优化至关重要。AFE还能提供与BMS其他模块的通信接口，以实现数据交换和控制功能。因此，AFE在BMS中被广泛应用，提供了对电池系统的准确监测和控制能力。

高级 AFE 通过其 ADC 读数和用户配置来检测故障情况。它通过打开保护 MOSFET 对故障做出反应，确保真正的硬件保护。而且，AFE 都已经过全面测试，可以轻松保障稳健的安全系统。采用这种方式，MCU 可以作为二级保护机制以实现更高级别的安全性和稳健性。

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6.SOC算法有哪些？

电量计通常采用内部算法运行复杂的计算，它分析电压、电流和温度测量值与存储在其内存中的特定电池模型的关系，然后再将这些测量值转换为 SOC 和 SOH 输出。电池模型是通过在不同温度、容量和负载条件下对电池进行表征生成的，它以数学方式定义其开路电压以及电阻和电容组件。基于电池模型，电量计算法能够根据这些参数在不同运行条件下的变化计算出最佳 SOC。

SOC估算方法（图片来源于知乎用户 可亦Key）

6.1 OCV（开路电压法）

上篇文章介绍了OCV（开路电压法），也就是根据放电曲线来估算电池剩余电量，受多种因素影响，只能作为简单的估算。

// 假设的OCV-SOC查找表  
typedef struct {  
    float ocv;      // 开路电压值  
    float soc;      // 对应的荷电状态  
} OCV_SOC_Entry;  
  
// 示例查找表，实际使用时需要根据实际电池数据填充  
OCV_SOC_Entry ocv_soc_lut[] = {  
    {3.00f, 0.0f},    // 示例数据，实际值可能会有所不同  
    {3.35f, 5.0f},  
    {3.48f, 10.0f},  
    {3.54f, 20.0f},  
    {3.60f, 30.0f},  
    {3.64f, 40.0f},
    {3.68f, 50.0f},  
	{3.72f, 60.0f},  
	{3.75f, 70.0f},  
	{3.80f, 80.0f},  
	{3.96f, 90.0f},
	{4.20f, 100.0f},  	
};  

// 查找表大小  
#define LUT_SIZE (sizeof(ocv_soc_lut) / sizeof(OCV_SOC_Entry))  
  
// 通过OCV估算SOC的函数  
float estimate_soc_from_ocv(float measured_ocv) 
{  
    for (int i = 0; i < LUT_SIZE - 1; i++) {  
        if (measured_ocv >= ocv_soc_lut[i].ocv && measured_ocv < ocv_soc_lut[i + 1].ocv) {  
            // 线性插值计算SOC  
            float slope = (ocv_soc_lut[i + 1].soc - ocv_soc_lut[i].soc) / (ocv_soc_lut[i + 1].ocv - ocv_soc_lut[i].ocv);  
            float soc = ocv_soc_lut[i].soc + slope * (measured_ocv - ocv_soc_lut[i].ocv);  
            return soc;  
        }  
    }  
    // 如果超出查找表范围，返回错误值或进行其他处理  
    return -1.0f;  // 示例错误值  
}  

这里用到了线性插值的方法（ChatGPT友情提供函数接口），只需修改实际的OCV-SOC，将当前电压传入，就可计算出当前的SOC。

stSys.Soc = estimate_soc_from_ocv(stSys.V_Battery);

6.2  安时积分法

经典的 SoC 估算通常使用安时积分法，也称为电流积分法或库仑计数法，该方法通过累积电池充放电过程中进出电池的电量来估算 SoC。充电时进入电池的所有库仑都保留在电池中；而放电时全部流出的电量则会导致 SoC 下降。

安时积分法比 OCV 法更为精确。但是该算法只是单纯地从外部记录流入和流出 电池的电量，忽略了电池内部状态的变化。由于不同的电池模型具有不同的自放电率，具体取决于电池的 SoC、温度和循环历史，因此准确的自放电模型需要花费大量时间收集数据，而且仍然相当不精确。

6.3 OCV法+安时积分法（2024.02.15更新）

单纯的OCV算法估算出的SOC会因为放电倍率的不同而变化。我试过无人机的电池，当电机不转时，电池电压为3.91V，此时估算出SOC为87%；当电机转动时，电池电压为3.76V，如果还是用OCV算的话，那么SOC可能就变成70%。

而如果单纯用安时积分法，则无法得知初始时刻的电量，所以下面是OCV+安时积分法的结合DEMO，实际测试效果还阔以。

//1200*3600为1200mAh的电池容量，(stSys.I_Current*1000.0f)为电流mA，0.001为1MS    
f32AccumulateCap += 1.0f/(1200.f*3600.0f)*(stSys.I_Current*1000.0f)*0.001f;
stSys.Soc = stSys.Soc_Static - f32AccumulateCap*100.0f;

7.电池管理IC

BMS IC（Battery Management System Integrated Circuit）是一种集成了电池管理系统功能的集成电路芯片。BMS IC主要用于监测、控制和保护电池，以确保其安全、稳定和高效的运行。

BMS IC通常包含以下功能和特性：

1. 电流、电压和温度监测：BMS IC能够实时监测电池的充电和放电电流、电压以及工作温度。通过对这些参数的监测，可以对电池进行准确的状态评估和电池健康程度的估算。

2. SOC估算：BMS IC可以使用多种算法来估算电池的SOC（State of Charge，电池的电荷状态），从而提供准确的电量信息。SOC估算对于电池的使用和管理非常重要，能够指示电池的剩余可用容量。

3. 充放电控制：BMS IC通过控制充电器和负载的连接和断开，实现对电池充放电过程的控制。它可以监测充电和放电电流，以确保在安全范围内进行充放电操作，并防止电池过充、过放等危险情况的发生。

4. 充电均衡：对于多个电池组成的电池组，BMS IC可以实现充电均衡功能。它可以控制每个电池模块的充电过程，确保所有电池间的电荷状态达到平衡，提高整个电池组的寿命和性能。

5. 温度和短路保护：BMS IC能够实时监测电池的温度，并在温度超过设定范围时采取措施，如降低充电速度或中断充电。此外，它还能检测短路情况，并采取相应的保护措施，如断开电路，以防止电池受损或发生危险。

综上所述，BMS IC是一种具备多种功能和特性的集成电路芯片，用于实现电池管理系统的各项功能，以确保电池的安全性、稳定性和高效性。它在电动车、储能系统、移动设备等领域中发挥着重要作用。

以下为德州仪器的一款电池监测和平衡IC，具有ADC低通滤波、平衡散热管理等功能。

以下为德州仪器的一款电池管理IC，AFE监测电压、芯片温度和外部温度，过流过压欠压等保护，电池均衡等功能

 芯源系统MPS用电池监控器和电量计实现BMS芯片的功能

 上篇文章介绍英集芯的IP2368，支持PD等多种快充协议，最高支持6节串联电芯（大约是24V）的升降压驱动，最大充放电功率100W。它的功能则更为强大。

 

 

8.总结 

尽管目前市面上已经有很成熟的低压BMS相关芯片，我们还是可以深入学习BMS相关知识，对于前沿算法的接触，对于电池管理架构的认知，对于便携式消费类电子产品的电源系统的理解，甚至于对UPS电源和车载级BMS的系统的深入都有很大的帮助。

参考文档

Type-C是什么？（上） - 知乎

【科普】USB Type-C是什么？ - 知乎

什么是模拟前端（AFE），模拟前端系统的结构_weixin_34326558的博客-CSDN博客

手机快充协议是什么？一篇文章带你搞懂各个快充协议（PD、QC、FCP、SCP、VOOC） - 知乎

总结几种流行的电池SOC估算方法 - 知乎

英飞凌推出新一代电池管理IC系列，可实现更高的测量精度并延长电池使用寿命

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