【三】AFE芯片的作用及重要參數(shù)詳解

在電池管理系統(tǒng)（BMS）中，模擬前端（AFE）扮演著關(guān)鍵角色，尤其是在低串?dāng)?shù)的簡單電池應(yīng)用中。這些系統(tǒng)注重基本的電池保護(hù)，而無需即時獲取詳細(xì)的電池信息。

過去，BMS系統(tǒng)主要采用硬件AFE實(shí)現(xiàn)，因?yàn)閷τ诨倦姵毓芾砣蝿?wù)而言，這是一種有效且經(jīng)濟(jì)的解決方案。然而，隨著智能硬件和智能手機(jī)、APP的普及，智能AFE變得越來越受關(guān)注。

現(xiàn)代BMS系統(tǒng)越來越注重智能化，智能AFE能夠?qū)崿F(xiàn)多項(xiàng)功能，包括多重保護(hù)、高精度SOC估計(jì)，以及監(jiān)控每個電芯電壓并通過智能模型進(jìn)行保護(hù)和記錄。這些功能通過ADC采樣獲取電池狀態(tài)參數(shù)，然后通過智能算法進(jìn)行分析和處理，提高了電池管理的準(zhǔn)確性和效率，使產(chǎn)品在市場上更具競爭力。

一、AFE的作用

AFE（模擬前端，Analog Front End）在處理信號源提供的模擬信號時，主要負(fù)責(zé)信號的數(shù)字化。在其廣義定義中，AFE的功能包括信號放大、頻率變換、調(diào)制、解調(diào)、鄰頻處理、電平調(diào)整與控制以及混合等。在BMS系統(tǒng)中，AFE通常是一個多通道的ADC變換系統(tǒng)。值得注意的是，AFE并不是BMS系統(tǒng)中獨(dú)有的，它在許多其他領(lǐng)域也都發(fā)揮著重要作用。以醫(yī)療領(lǐng)域?yàn)槔?，醫(yī)療設(shè)備的AFE芯片通常不像電池管理系統(tǒng)中需要處理多路ADC那樣，而是更注重一路或兩路ADC對采樣精度和分辨率的高要求。在便攜醫(yī)療領(lǐng)域，許多AFE芯片的ADC通常達(dá)到24位的高分辨率。

而對于鋰電池這樣的系統(tǒng)來說，多通道的ADC是存在強(qiáng)烈需求的，對于精度的要求基本上在14bit左右就可以了。AFE總體介紹在BMS系統(tǒng)中，對于模擬量（如電壓、溫度等）的測量，通常需要使用ADC進(jìn)行數(shù)字化處理。為此，一些公司專門為BMS應(yīng)用開發(fā)了專用的BMS ADC芯片，將電壓采集、溫度采集和均衡控制等功能集成在一起，形成了BMS系統(tǒng)的AFE（模擬前端）。這樣的AFE不僅能夠高效地實(shí)現(xiàn)模擬信號的數(shù)字化，還具備了適用于電池管理系統(tǒng)的特定功能，如對電池電壓和溫度的準(zhǔn)確采集，以及對電池均衡的控制。通過集成這些功能，BMS系統(tǒng)能夠更全面、精確地監(jiān)測和管理電池狀態(tài)，提高電池的安全性和性能。

BMS AFE典型架構(gòu)圖，如上圖所示。BMS AFE的典型架構(gòu)主要包含三個主要模塊：采集模塊、均衡開關(guān)、通信模塊。

采集模塊：模塊包含模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）、參考源（REFERENCE）和模擬開關(guān)（MUX）。通過ADC實(shí)時測量電池的電壓和溫度等參數(shù)。

均衡開關(guān)：負(fù)責(zé)電池的均衡控制，確保各個電池單體在充電和放電過程中保持相對均勻。

通信模塊：提供AFE與MCU之間的數(shù)據(jù)交互接口，一般采用SPI、I2C等通信協(xié)議。

AFE芯片可被視為電池組的保姆，主要功能包括：

實(shí)時測量電池的電壓和溫度等參數(shù)；估算電池剩余容量；控制充電和放電過程；發(fā)出異常報(bào)警與保護(hù)，如過充、過放、過溫等；進(jìn)行均衡控制，確保各單體電池狀態(tài)均勻。

不同公司的AFE芯片在采樣通道數(shù)量、內(nèi)部ADC的數(shù)量、類型和架構(gòu)等方面有所不同。在汽車領(lǐng)域，BMS的主要標(biāo)準(zhǔn)是GB/T 38661-2020，其中對AFE的主要要求之一是采集精度。電壓采集精度的實(shí)現(xiàn)，特別是在EMC測試中，是一個需要深入討論的問題。

汽車相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)文件：2020年，國標(biāo)新能源電動車的電池系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)PDF：https://muzing-bucket0.oss-cn-huhehaote.aliyuncs.com/documents/GBT-38661-2020.pdf