1、摘要

近年來，隨著新國標的施行，以及平衡車，滑板車，共享電單車等新應用場景的出現，促使電動兩輪車市場迎來了新的發展熱潮。

鋰電池因為具有能量密度高，循環次數多等優點而逐漸替代鉛酸電池，受到越來越多電動兩輪車廠商的追捧。但因為鋰電池相比鉛酸電池而言，安全性更差，因此需要嚴格的電池管理系統(Battery Management System, BMS)對鋰電池進行監控和保護。

而根據不同的用戶需求，往往需要選擇不同的 BMS 架構，比如電摩需要實現更高功率，因此會使用多片 AFE 級聯以支持更多電池串數，又比如某些電動自行車的充放電電流相差較大，會設置單獨的充放電路徑以優化成本。

本文將介紹幾種常見的電動兩輪車 BMS 架構以及不同架構的優缺點及其使用場景。

2、電動兩輪車 BMS 架構

2.1 典型的電動兩輪車BMS架構

通常由電芯，模擬前端，二段保護，主控等組成。

其中， BQ77216 是一款單顆可支持 3-16S 的二段保護產品，不需要像傳統的采用多片級聯實現 16S 二次保護。并且相比傳統的二段保護產品， BQ77216 不僅具有過壓保護功能，而且還具備欠壓，過溫，開線等保護功能，滿足更多的設計需求。

BQ76952 是 TI 最新的支持 3-16S 的 AFE 產品，具有采樣精度高，集成高邊驅動和可編程 LDO，支持脫離 MCU 獨立工作，支持亂序上電，功耗小等諸多優點，而被廣泛應用于電動兩輪車領域。并且因為BQ76952 具有 DCHG 和 DDSG Pin，分別實現對 CHG 和 DSG Pin 的邏輯映射， 因此既能實現高邊驅動的方案，也可以實現低邊驅動的方案。同系列的產品還有 BQ76942 和 BQ769142，分別支持 3-10S和 3-14S 的電池包。

2.2 電動兩輪車BMS架構細分類

按照充電 FET (CFET)和放電 FET (DFET)的位置不同，可以將電動兩輪車的 BMS 架構分為以下四種：

2.1.1 高邊串聯架構

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

2.1.2 高邊并聯架構

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

2.2.3 低邊串聯架構

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

2.2.4 低邊并聯架構

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

3、選擇合適的電動兩輪車 BMS 架構

上述四種架構的主要區別在于兩點：一個區別是 CFET， DFET 是置于高邊還是低邊；另一個區別是CFET， DFET 是串聯連接還是并聯連接。根據不同的應用場合，應該選取合適的 BMS 架構。下面分別介紹在選取不同 BMS 架構時的主要考慮。

3.1 高邊 or 低邊

3.1.1 高邊與低邊介紹

低邊方案是目前應用比較成熟且比較容易實現的方案， 多數兩輪車也是基于低邊方案設計的。同時，目前大部分模擬前端也集成了低邊驅動的能力， 比如我們上一代的經典產品 BQ769x0 系列就是采用的低邊保護方案。

但是低邊保護方案存在一個缺點：當 CFET， DFET 關斷的時候，電池包的地和系統端的地不再共地，所以一旦有保護被觸發關斷充放電 FETs，電池端和系統端不再能夠實現直接通信。若想繼續實現通信，則需要采用隔離通信，這不僅會增加成本，同時也會增加功耗，尤其是欠壓保護時，過大的通訊功耗對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用于對成本更為敏感的沒有復雜通信的產品中。

相比較低邊保護，高邊保護方案即使在保護被觸發后，電池包和系統端仍然是共地的，因此仍然可以實現相互之間的通信，而無需增加隔離通信， 且觸發保護后斷開電池正端，系統更加安全。

3.1.2 部分示例

BQ76200 是一款低功耗的高邊 NFET 驅動 IC，支持充放電管單獨控制，具有很強的靈活性。可擴展的charge pump 電容可保證多組并聯 FETs 的驅動能力，同時集成了 PACK 電壓采樣開關，方便通過MCU ADC 實現 PACK 端電壓采樣。

相比于 BQ769x0 系列， BQ769x2 系列 AFE 因為本身集成了高邊驅動能力，所以無需增加任何其他器件就可以實現高邊保護方案，可以幫助節省一顆高邊驅動芯片。Figure 7 所示為典型的高邊串聯應用電路，可以看到，通過 BQ76952 的 CHG Pin 和 DSG Pin 就可以直接驅動高邊的 CHG FET 和 DSGFET，簡單方便又經濟實惠。

BQ769x2 作為 TI 新一代的 AFE，相比 BQ769x0，除了集成高邊驅動外，還具有支持串數更多，支持亂序上電，更多的工作模式和通信接口，采樣精度更高，保護功能更全，均衡能力更強等諸多優點。

基于以上優點，越來越多的低邊方案也開始使用 BQ769x2 進行設計。BQ769x2 雖然沒有集成低邊驅動，但是集成的 DDSG Pin 和 DCHG Pin， 可分別實現對 DSG Pin 和 CHG Pin 的邏輯映射，利用這兩個引腳可以通過簡單的電路輕松實現低邊保護的方案， Figure 8 所示為典型的基于 BQ769x2 的低邊保護電路。

3.2 串聯（同口） or 并聯（分口）

串聯架構的充電口和放電口共用一個端口， 缺點是 CFET 和 DFET 的數量均需要按照充放電電流的最大值進行選型， 若充電電流和放電電流相差比較大時，比如一般電動車鋰電池包的充電電流要比放電電流小， 選擇串聯架構，則需要選擇比實際需要更多的 CFET，造成不必要的浪費。

并且無論是充電還是放電，所有的電流都需要經過 CFET 和 DFET，會產生更多的損耗和熱，一定程度上也減少了電池的有效容量。優點是不需要考慮反向電流的問題，因為 CFET 和 DFET 的背靠背連接可以阻斷反向電流。此外， 串聯架構可以節省一根功率線和一個接線端子。

相比串聯架構，并聯架構可以按照實際的充放電電流需要分別選型 CFET 和 DFET 的數量和型號。并且無論是充電還是放電，都只經過一級 FET，所以損耗和發熱也都更少。缺點是需要考慮反向電流，如經 CFET 的體二極管流向充電口，或經過 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現。

4、其他兩輪車 BMS 架構

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量， 有無 MCU 等對兩輪車BMS 架構進行分類。

4.1 級聯架構

按照模擬前端的數量，可以將兩輪車 BMS 分為級聯架構和非級聯架構。

目前主流的電動兩輪車 BMS，如電動自行車，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，所以對于目前主流的電動兩輪車 BMS，采用上述單顆 AFE 方案即可，Figure 2 ~ Figure 5 均為非級聯架構。但對于一些要求功率比較大的應用場合，如電輕摩或者電摩，其電壓通常高于 60V，則需要采用高于 16 串的電池包來實現更大的功率，單顆 BQ76952 已經不足以支持，需用采用兩顆進行級聯使用，也就是采用級聯架構。

因為高壓側的 BQ76952 是以低壓側的 Vstack作為參考地的，所以高壓側 BQ76952 的通訊需要隔離 I2C。

4.2 獨立架構

按照有無 MCU，可以將兩輪車 BMS 分為獨立架構和非獨立架構。Figure 2 ~ Figure 5 均有 MCU 搭配工作，所以均為非獨立架構。Figure 7 中 AFE 則脫離了 MCU 而獨立工作，所以為獨立(standalone)架構。當 BQ769x2 工作在獨立模式時，仍然可以對電池狀態進行監控，對充放電 FETs 進行控制，當觸發保護條件時，自行控制 FETs 關斷實施保護，當保護條件撤去時，自行恢復 FETs 導通。

獨立架構的優點是可以節省一顆 MCU，適用于對成本要求較為苛刻的應用場合。但是因為缺少 MCU，所以在靈活性上有所損失，用戶需要按照實際需求進行選擇獨立還是非獨立 BMS 架構。

文章摘自TI，知識傳播者，小飛哥目前剛好從事BMS相關開發

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審核編輯：郭婷