第四篇 AFE的作用机器参数

在电池管理系统（BMS）中，模拟前端（AFE）扮演着关键角色，尤其是在低串数的简单电池应用中。这些系统注重基本的电池保护，而无需即时获取详细的电池信息。

过去，BMS系统主要采用硬件AFE实现，因为对于基本电池管理任务而言，这是一种有效且经济的解决方案。然而，随着智能硬件和智能手机、APP的普及，智能AFE变得越来越受关注。

现代BMS系统越来越注重智能化，智能AFE能够实现多项功能，包括多重保护、高精度SOC估计，以及监控每个电芯电压并通过智能模型进行保护和记录。这些功能通过ADC采样获取电池状态参数，然后通过智能算法进行分析和处理，提高了电池管理的准确性和效率，使产品在市场上更具竞争力。

一、AFE的作用

AFE（模拟前端，Analog Front End）在处理信号源提供的模拟信号时，主要负责信号的数字化。在其广义定义中，AFE的功能包括信号放大、频率变换、调制、解调、邻频处理、电平调整与控制以及混合等。在BMS系统中，AFE通常是一个多通道的ADC变换系统。

值得注意的是，AFE并不是BMS系统中独有的，它在许多其他领域也都发挥着重要作用。以医疗领域为例，医疗设备的AFE芯片通常不像电池管理系统中需要处理多路ADC那样，而是更注重一路或两路ADC对采样精度和分辨率的高要求。在便携医疗领域，许多AFE芯片的ADC通常达到24位的高分辨率。

而对于锂电池这样的系统来说，多通道的ADC是存在强烈需求的，对于精度的要求基本上在14bit左右就可以了。

AFE总体介绍

在BMS系统中，对于模拟量（如电压、温度等）的测量，通常需要使用ADC进行数字化处理。为此，一些公司专门为BMS应用开发了专用的BMS ADC芯片，将电压采集、温度采集和均衡控制等功能集成在一起，形成了BMS系统的AFE（模拟前端）。

这样的AFE不仅能够高效地实现模拟信号的数字化，还具备了适用于电池管理系统的特定功能，如对电池电压和温度的准确采集，以及对电池均衡的控制。通过集成这些功能，BMS系统能够更全面、精确地监测和管理电池状态，提高电池的安全性和性能。

BMS AFE典型架构图，如上图所示。

BMS AFE的典型架构主要包含三个主要模块：采集模块、均衡开关、通信模块。

• 采集模块：

1. 模块包含模数转换器（ADC）、参考源（REFERENCE）和模拟开关（MUX）。
2. 通过ADC实时测量电池的电压和温度等参数。

• 均衡开关：

1. 负责电池的均衡控制，确保各个电池单体在充电和放电过程中保持相对均匀。

• 通信模块：

1. 提供AFE与MCU之间的数据交互接口，一般采用SPI、I2C等通信协议。

AFE芯片可被视为电池组的保姆，主要功能包括：

4. 实时测量电池的电压和温度等参数；
5. 估算电池剩余容量；
6. 控制充电和放电过程；
7. 发出异常报警与保护，如过充、过放、过温等；
8. 进行均衡控制，确保各单体电池状态均匀。

不同公司的AFE芯片在采样通道数量、内部ADC的数量、类型和架构等方面有所不同。在汽车领域，BMS的主要标准是GB/T 38661-2020，其中对AFE的主要要求之一是采集精度。电压采集精度的实现，特别是在EMC测试中，是一个需要深入讨论的问题。

汽车相关标准文件：

muzing-bucket0.oss-cn-huhehaote.aliyuncs.com2020年，国标新能源电动车的电池系统标准PDF

二、AFE的主要功能及参数

2.1 电芯电压的采样

在BMS中，ADC的精度、类型和频率是关键因素，让我们以TI的BQ76930系列为例，通过规格书中的信息了解相关细节。

TI的BQ76930系列包含两个ADC单元，分别是14位（用于电压和温度采样）和16位（用于电池组电流采样）。这两个ADC单元都采用了Delta-Sigma型的ADC架构。Delta-Sigma ADC主要优势在于提供高精度的采样，但其劣势在于相对较慢的采样速度。在电池系统中，精准度通常比采样速度更为重要，因此这种ADC架构是合适的选择。

[hide_content type=”buy”]

具体来说：

• 精度： 14位和16位的分辨率为电压和电流等参数提供了高精度的采样。
• 类型： Delta-Sigma型ADC，其优势在于精准度高，适用于对准确性要求较高的电池管理系统。
• 频率： Delta-Sigma型ADC相较于其他类型，可能在采样速度上稍显慢，但在电池系统中，稳定性和准确性通常比采样速度更为重要。

总体而言，TI的BQ76930系列通过采用高分辨率的Delta-Sigma型ADC，为BMS系统提供了可靠的电池参数采样和监测功能。

从上图可以看出，BQ76930的14位ADC的采样精度在测试条件中仅覆盖了2V到5V范围。在实际应用中，特别是在电池放空时，必须考虑2V以下的采样精度，因为有些AFE在这种情况下可能输出直接为0。

此外，当温度范围扩大到-40℃后，相应的采样精度也会变得更差。这表明在一些极端环境下工作的BMS系统在选择AFE芯片时需要特别注意。在极低温度条件下，电子元件的性能可能会受到影响，从而影响到ADC的准确性。因此，选择适应广泛温度范围的AFE芯片对于在各种环境中确保BMS系统性能的稳定性和可靠性非常关键。

通过上述介绍，我们了解到BQ76930的14位ADC采样速度相对较慢，需要50ms来完成对一个通道的采样。这采用了过采样技术，可以理解为进行大量采样然后进行平均。

与我们印象中STM32中的12位ADC相比，这种速度似乎是较慢的。在BMS系统中，这样的速度可能并不是一个问题，尤其如果系统的工作调度频率可以定为4Hz的话。因此，并不需要特别强大的MCU来应对这个相对较低的采样速度。当然，如果考虑到SOC的计算可能会采用一些AI算法，这又是另一个问题需要单独考虑的。

在实际设计BMS系统时，根据采样速度和系统需求，选择适当的MCU是非常重要的。这样可以更好地平衡成本、性能和功耗等方面的考虑。

2.2 系统电流的采样

我们可以看到在BQ76930的设计中，对电流采样使用了一个高精度的16位ADC，相较于电压采样的14位ADC，精度提高了2个bit。这些额外的bit并非巧合，而是经过深思熟虑的设计。

特别是，通过将电流采样的16位ADC的采样时间设置为250ms，设计师们实际上实现了电压和电流采样的同步。在一个250ms的周期内，可以完成一次对电压和电流信息的刷新。这种设计巧妙地平衡了精度和采样速度之间的权衡，使得系统能够在相对较短的时间内获取准确的电池状态信息。这种同步采样的设计在BMS系统中是非常有用的，特别是在对电池动态变化进行实时监测和控制时。

2.3 待机的功耗

当设计AFE芯片时，待机功耗是一个至关重要的考量因素，特别是在很多场景下，锂电池包经常会长时间处于空闲状态。举例而言，在海运过程中，电池包可能需要进入休眠状态，而这个状态可能会持续数月。同样，一些消费类产品也可能在用户搁置一段时间后才重新被使用。如果待机功耗无法降低，产品可能会因为电池耗尽而无法正常使用。

因此，在选择或设计AFE芯片时，我们必须特别注重待机功耗这一关键参数。低待机功耗的AFE芯片能够显著延长电池寿命，确保在长时间的空闲状态中仍然能够提供足够的电力。这对于一些特殊应用场景，如海运、消费类产品等，至关重要，有助于避免因电池耗尽而导致产品损坏或报废的情况发生。

我们来看看BQ76930的功耗参数

当设计BMS系统时，我们特别需要关注AFE芯片在整个shutdown（休眠）模式下的电流（Iship）。这个shutdown模式通常对应产品的运输模式，而在BMS系统设计中，我们经常需要考虑产品出厂时的电量和在运输模式下的时间。

Iship的重要性体现在多个方面。首先，它直接关系到电池在运输模式下的自放电，这将影响产品出厂时的电量。其次，当电池进入欠压保护状态时，可以通过合理设置电芯电压的阈值，使AFE进入shutdown模式，从而延长电池在闲置状态下的寿命。

因此，在BMS系统设计中，我们需要仔细调整Iship的参数，以平衡产品在运输和储存期间的能耗和电池寿命。通过智能设置欠压保护触发条件，我们可以最大限度地优化电池的综合利用，确保在各个阶段都能够达到最佳性能。

2.4 高低边MOS的控制

我们正在看的这个BQ76930采用的时低边MOS的方案，它的升级版BQ7695系列则支持高边和低边MOS方案。我们先来看一下什么是高低边MOS。

从上面的两个电路简图中，我们可以看到，要想保护我们的电池不过充电和不过放电，我们可以选择在正极增加MOS管，也可以选择在负极增加MOS管进行控制。那么在负极的MOS被称为低边MOS，在正极的MOS被称为高边MOS。

如果采用高边MOS的电路方式，那么我们将面临MOS的驱动问题，因为大电流的情况下我们一般应该选择NMOS，而NMOS的开启需要Vgs达到12V，也就是意味着我们需要产生一个比系统电压高12V的电压，因此需要再AFE中单独设计一个升压电路，这部分我们在之前的自举电路中讲过

如果采用低边MOS的电路方式，那么对于MOS的开启就容易了很多，因为Vgs的12V在系统中很容易得到，主要原因MOS管的S极接到了负极，相当于参考GND了。

但是采用低边MOS有个缺点，那就是如果BMS由于过温过压等状况保护以后，它的MOS管就关闭了，那么负载的GND就和BMS系统的Pack-断开了，因此就会导致两个系统的参考地不匹配了，这时候就必须要要对一些通信信号进行隔离。

2.5 均衡功能

在成本方面，简而言之，外置均衡相对更昂贵是毋庸置疑的。每个通道增加了一个MOS开关、两个普通电阻，甚至可能还需要一个稳压二极管，具体如下图所示（以ADI的数据手册为例）。粗略估计，单通道外置均衡可能会增加大约2到4毛钱左右的成本。

在选择外置均衡方案时，抗浪涌性能是一个显著的优势。图中所示的内置均衡电路方案中，均衡引脚Sn外部仅通过几十欧姆的均衡电阻直接连接到电芯，而Cn线上的串联电阻可能达到几百欧姆，使得Sn引脚相对更容易受到浪涌损坏。

相比之下，采用外置均衡方案时，Sn引脚通过3.3KΩ电阻与PMOS隔离，大大提高了其抗浪涌性能。

此外，外置方案还有助于减小AFE芯片自身的发热。因为电流被外置的MOS管分流，对于AFE芯片本身的可靠性也有所提高。

尽管采用外置MOS进行电池均衡，实际的均衡电流可能并不会很大。从许多车厂的方案来看，即便采用外置MOS进行均衡，所设置的放电电阻通常在33Ω到100Ω左右。假设电芯电压为4V，那么均衡电流也只是在40mA左右。虽然相比内置均衡有所提升，但考虑到通道的数量较多，如果有几个通道同时均衡，AFE的发热问题可能会成为一个值得关注的大问题。在设计时需要综合考虑均衡电流和芯片的热管理。

2.6 关于通信

这里的通信主要设计到多串数的情况，当我们使用多颗BQ76952进行串联的应用时需要考虑，如下图

在系统中，由于每片AFE的参考地实际上是负责的Cell stack的负极，即它自己的Vstack，因此不同AFE芯片的参考GND是不同的。这就导致在使用IIC或SPI进行通信时都需要进行通信隔离，以防止不同参考地之间的潜在问题。

这里可以以比亚迪的菊花链SPI通信来展开聊一下。

在分布式的BMS管理系统中，通常AFE芯片会直接提供隔离的SPI菊花链形式，例如比亚迪的BF8920A方案专门设计成了隔离通信方案，为客户更快地搭建整体方案提供了便利。

这种菊花链的通信形式在分布式系统中非常有效，能够显著减少线束的数量和长度，相较于CAN总线，成本更低。

此外，一些厂商如TI还推出了更先进的方案，他们利用蓝牙技术实现了电池包之间的通信。通过这种方式，直接将线束成本降低为零，对于汽车领域尤其有意义，因为汽车上的线束无论在重量还是成本方面都占据着相当大的比例。这种创新的通信方案为汽车电池管理系统带来了更高的灵活性和成本效益。

不过这个我觉得了解下就可以了，用的时候就当做串口用就行，具体的通信质量，如何和整车的电磁环境兼容而提高通信的可靠性，实时性，这些都是TI来解决的。

三、选型AFE的重要策略

3.1 串并数的选择

在实际应用中，对于并联在一起的电芯，通常会将它们视为同一个电芯进行采样。

此外，电芯一般是先并联后串联的方式连接，这有助于减少对采样通道的需求。然而，在现实应用中，电池组内部并联的电芯数量通常是不固定的，而且电池组的总串联数量也存在差异。例如，滑板车的36V系统可能采用10串，电动两轮车的48V系统可能采用13串，而汽车上可能有400V或800V的系统。

不同的电池模组具有不同数量的电芯，并且不同的AFE芯片厂家对于通道数量的定义也不一致。例如，TI的BQ系列以5、10和15串的方式布局通道数量，而其他品牌也按照不同的档次划分通道数量，通常是3个档次，通过串并联的方式实现兼容多种系统电压。

在这种情况下，我们需要仔细选择合适的通道数量进行匹配，以兼容不同的电池系统。尤其在企业拥有多个产品系列的情况下，需要综合考虑各产品线的电压平台，努力实现一套BMS系统方案能够兼容更多的产品线。

对于第三方独立的BMS厂家而言，在这样的市场环境下，由于其自身话语权较小，更多地需要适应主机厂和电芯厂的需求。在设计一个平台版本的产品时，面临的困难较大，需要在满足多样化需求的同时保持系统的灵活性和可扩展性。

3.2 采样通道的耐负压能力

在选择AFE芯片方案是，我们应该尽量选择通道多的方案，因为这里有时候会涉及到一种比较特殊的场景，就是 AFE 跨接模组进行采样（如下图）。

简单说就是把链接电芯串联回路之间的铜排上面的压降一起采回来，我们可能用一个独立的通道去采集，或者把它和电芯放在一起去采集。无论哪种方式，都会涉及到一种负压的采样问题，这就需要 AFE 的采样通道可以承受负压。

目前来看，能做到的厂家不多，很多厂家的产品都在朝这个方向演进。

3.3 温度采样通道越多越好

除了电芯采样通道外，经常被忽视的是AFE的温度采样通道数量。通常，推荐的温度通道数量与电压通道数量的比例为1:2。过小的比例可能导致温度通道数量不足。在温度采样方面，需要考虑采集外部的NTC（负温度系数）以及板上可能存在的其他模拟信号，因此温度采样通道通常是一种紧缺的资源。

在这方面，TI的新一代产品BQ76952系列已经做出了很多改进，增加了大量的温度采样通道资源，对外部NTC的支持已经扩展到了9路。

当然，如果通道数量不够，也可以考虑在外部的MCU上进行处理。不过，这就需要编写一个查表的算法，用于进行NTC和温度之间的线性拟合。在讨论源代码时，我们可以进一步详细探讨这部分算法。

四、各家AFE的对比

在比较各个厂家的工业级AFE时，笔者虽然没有亲自设计和量产过汽车BMS，但希望通过对几个品牌的AFE进行对比，能够帮助大家快速了解各个厂家的优势和劣势。

TI

首先，我们先看一下最熟悉的TI的BQ76930。这是一个采用多Die合封设计的方案，其中包含了一个基本的5通道电压采样的Die。通过合封技术，它支持最高15串的设计。BQ76930系列包括三个型号：BQ76920、BQ76930和BQ76940。

最近两年，TI 新发布了 BQ76942 和 BQ76952 系列，内置的 MCU 更强大，功能也更复杂一些，尤其是 IIC 的从机响应方面还是需要好好调试一下，我曾经在这里就遇到很大问题，下图是两个系列的参数对比，各方面功能和性能都提高了不少。

由于 BQ769x0 系列应用非常广泛，因此国内多个厂家纷纷效仿，比如瑞盟科技的 MS99x0 系列和思捷电子的 CG861XX 系列，都是仿照 TI 的系列做的兼容设计，引脚也完全兼容，可以 Pin2Pin 替代，因此我这个项目中就是直接使用的 CG861xx 来做的 Demo 开发。

南京集澈

南京集澈的 AFE 特点是单 die 设计，支持最高 32 串，这在集成式 BMS 设计中非常受用，我们拿它的 DVC1124 举例。

此芯片为单晶元芯片，并不是多个die级联的，解决了多个die级联不同die功耗不平衡的问题，

电压采集：电压采集精度在工规里是算是相当高的，常温是正负3mV,全温也才正负7mV。

电流采集：有两个电流滤波器，一个CC1,一个CC2,其中CC1采集时间可以设置为0.5ms,1ms,2ms,4ms,CC2是固定256ms采集。

温度采集：在使用高边保护的基础上最多可以有6个温度采集口

均衡：内部控制奇偶

支持高边保护且兼容低边保护，对于新国标的两轮车BMS方案，非常适用。

中颖

在国内BMS系统的AFE芯片方案中，中颖（Holtek）在非汽车行业占据了相当大的市场份额。据我所知，中颖在这个领域中拥有较高的知名度。我曾经使用过两款中颖的芯片，分别是SH367306和SH367309，用于量产产品。然而，在量产阶段出现了一些小问题，导致我后来没有继续使用。这两款芯片在SMT（表面贴装技术）阶段普遍出现了一定比例的不良率，问题主要出现在贴装完成后的回焊工艺上。

中颖的芯片参数简要列举如下：

硬件保护功能：

• 内置平衡开关
• 禁止低压电芯充电功能
• 小电流检测功能
• 支持乱序上下电
• 内置看门狗模块
• 模式设计
• 采集模式（SH367309配合MCU应用）
• 保护模式（SH367309独立应用）
• 仓运模式
• 烧写模式

采集功能：

• 13-bit VADC用于采集电压/温度/电流
• 转换频率：10Hz
• 16路电压采集通道
• 1路电流采集通道
• 3路温度采集通道
• 16-bit Ʃ-∆CADC用于采集电流
• 转换频率：4Hz

除了电压采样的ADC采用13位外，其他功能上与TI的类似。需要注意的是，中颖的芯片在实际应用中可能会面临一些生产质量的问题，这可能需要更加谨慎的考虑。

杰华特

目前我只拿到了JW3376这一款的资料，大致如下，也是与 TI 做的比对，但他们都无法 Pin2Pin 使用。

一路14位 ADC，一路 16 位 ADC

高电源电压abs max（高达120V）

监控11~16串电池

提供过滤模式

4路热感应，精度±1℃（不考虑NTC电阻偏移）

其他的还有很多品牌，比如：鹏申科技，奇力科技，迈巨微，矽力杰，航天民芯，矽源，东软，必易微等等。

[/hide_content]