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電池組管理電路設計
便攜式電源如移動電源,電動車電源、汽車電源等都是由一個個電池單元組成的，由于電池产品固有的误差，要平衡这个误差让電池组更好的工作，就需要做BMS管理设计，那么電池组的管理电路设计怎么做呢？
電池组管理系统整体结构
设计的应用实体是一个工业上使用的便携式電池组设备，采用Altera的FPGA和其上的NIOS II嵌入式处理器，并使用USB接口与电脑相连接，面向的是大数据量应用。这个设备需要30V直流电压，所以计划使用4个1000mAh锂聚合物電池串联的電池组；另外，出于防水防尘的考虑，对外只使用一个方形的USB接口（USBB Type Sockr，这个USB口同时兼具数据传输和充电的功能。
控制核心包括FPGA及其所连的接口、显示电路，需要3.3V的低电压，由高效率的DC/DC芯片从4芯锂電池组直接降压得到。这个电压很重要，所以需要保持稳定且连续，除非電池组低电量或者过流保护，否则此电压一直供给。
執行機構需要30V直流電壓，電流大約80mA左右，使用一個升壓DC/DC電路，這個電路由控制核心操縱，平時是不工作的，只在需要動作之前開啓。
充電使用外部20V電源，通過USB接口連接。使用這種電源的考慮是爲了進行1C或0.5C大電流高速充電。由于與普通USB共用一個端口，爲了避免接入普通USB時進入充電程序，需要一個電壓判斷電路進行判斷。
由于合乎需要的芯片解决方案市场上很难寻觅，决定使用FPGA的剩余逻辑资源来实现充电器的控制功能，添加少量的模拟电路来辅助。这就要求对控制电路的供电不能中断，電池组必须一直在线，并且電池负极需要一直与GND连接。
1、電壓采樣
最重要的部分就是电压采样电路的设计，要求精度高并且受温度影响小。这个设计难点在于電池电压对于GND而言是浮动的。很多方案采取了差分运放转换到对地电压然后输入专用ADC进行AD变换的方案。但这个方案由于引入了差分运放，产生了许多问题。首先，电压比较高，运放很难找；其次，运放的电源与输入电压使用同一个电源，这样一来就要求运放需要轨到轨输入的功能；再次，可能还需要一个负电源，使用DC/DC又引入了噪声；另外，运放及使用匹配的电阻使得精度降低。
RC充電電路
爲了盡量簡化電路，這裏構造了積分型的ADC，將FPGA定時的高精度轉化爲電壓測量的高精度。其工作流程是：J1先閉合，釋放C1上的電荷；然後J1打開，由R1對C1進行充電；電壓比較器U1將C1上的電壓與參考電壓V2比較，當C1電壓超過V2時輸出高電平。統計從J1打開到U1輸出高電平之間的時間，便可以確定V1的電壓大小。可以直觀地看出，V1越高，這段時間越短。
實際取樣電路圖
实际的电路如图3所示，注意这幅图只画出了第一个電池的测量电路。其中，R1与C1便是积分使用的电阻与电容，Q1是常用的P-MOSFET，这里用来实现J1给电容放电的功能，U5 同时实现电压基准与电压比较器双重功能。X1是放电控制，来自FPGA，X2是开关量输出，去往FPGA。
這個電路在靜態時僅僅消耗MAX921的4uA電流和C1、Q1、Q2的漏電流，基本可以忽略不計，非常省電。
這個電路另外一個特色是省掉了經常使用的光電耦合器，而使用電容C2代替。靜態時，C2兩端達到電壓平衡，不消耗電能，此時，X2電壓爲0。U5輸出高電平時，因爲C2兩端電壓不能瞬變，故X2電壓被提升。D1與D2兩個肖特基二極管是起限幅作用的。仔細調整C2與R4的值就能夠順利地傳遞開關量信息。
2、平衡充電
平衡充电是所有锂電池组所需要的充电方式，但是很多小功率的应用中实际是没有平衡充电的，如大多数的笔记本电脑電池组，这样做实际上对電池寿命的影响是相当大的。
现有的均衡技术主要分为電池间能量传递均衡和外部能量输入均衡。電池间能量均衡就是把高电量電池的能量给低电量電池充电。这种方法最大的问题就是控制起来很复杂。
现在很多专用芯片或者单片机解决方案使用的是外部均衡的方式，这种方式是通过可控制的耗能来实现的。这种方式中一般都是使用一个耗能元件来消耗能量，从而等待其他電池单元充满或者降低某些单元的电压。这种方案的缺陷在于稳压二极管上的耗能太大，造成的发热量是不能忍受的。
當然，這只是一個示意圖，不包括電流檢測電路（輸入到變壓器之間）和電壓檢測電路（變壓器次級繞組）。其中，開關陣列是用功率MOSFET實現。
这种做法，管子都工作在开关状态，耗能很少，另外電池没有串联二极管，可以获得最大输出。不足之处还是电路比较复杂，由于要匹配每个電池的电压，所以要求输入充电电路是隔离的。这里采用T1变压器作为隔离，因为开关频率可以做得很高，T1变压器的体积很小。整个充电电路工作在开关状态，不再添加任何的控制模块，由FPGA直接控制场效应管，电流检测和电压检测电路的输出也转化为开关量直接传给FPGA。
充電分爲四個步驟：
a）检测是否有電池单体低于2.5V，如有，使用5%的占空比对低于2.5V的電池轮流充电，使其升压到2.5V；
b）打开J1和J8，对整体进行大电流充电，同时测量電池单体的电压，如果有電池单体达到4.2V，进入下个步骤；
c）逐渐降低占空比，使单体電池的最高电压维持在4.2V，直到占空比<5%；
d）对未到4.2V的電池进行轮流充电，当占空比均下降到5%时，充电结束。
这里需要说明的是，a）和d）步骤中轮流充电是通过开关矩阵实现的，并且轮流充电并不会延长充电时间，这是因为此时的占空比远远小于25%，可以在一个充电周期内分别给四个電池充电。
3、過流和低壓保護
为了保证電池组的绝对安全，電池组的过流和低压保护是独立设置的，当出现问题时可直接切断電池组的输出，这种类型的电路也非常普遍。
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