哈尔滨工业大学硕士学位论文
摘要
随着锂离子电池技术的不断演进，动力锂离子电池与储能锂离子电池在生
活中应用越来越广泛。为了解决锂离子电池在使用中不安全的问题，需要BMS
芯片来对锂离子电池使用过程进行实时监测与管理。BMS芯片采样的精度直接
影响电池管理系统对电池组的状态判断结果，因此高精度采样是保护功能可靠
的前提条件。单颗BMS芯片管理更多节数串联的高压电池组，可以减小电池管
理系统的集成复杂度。因此设计一款高电压高精度BMS芯片是有重要应用意义
的。BMS芯片最重要的功能特征是对锂离子电池组的保护与管理功能，主要包
括各类电压与电流故障监测、均衡管理、充放电回路的控制等。本文设计实现
了高电压高精度BMS芯片中的数字保护子系统。
首先对该款BMS芯片的功能特性、应用方案以及芯片设计结构进行了研
究。提出了数字控制器的设计需求，并做了相应功能子系统划分。针对数字控
制器中数字保护子系统的具体实现方式，划分了功能逻辑，详细分析了工作模
式控制、初级保护、二级保护、均衡管理、状态检测与MOS管驱动控制等各
功能单元的功能逻辑细节。
确定数字保护子系统整体设计结构之后，接着根据各部分功能模块要求进
行了RTL设计实现。针对工作模式控制模块设计了工作模式状态机，并围绕状
态机各部分检测条件设计功能逻辑；初级保护功能的设计分为电压/电流保护与
温度保护两部分实现，共设计两种初级保护核心故障检测状态机，实现了复用
比较器的调度模块以及温度的最值与均值计算逻辑；二级保护模块设计了故障
检测状态机与各部分检测条件的逻辑；均衡管理模块中设计了可以执行四种均
衡策略的状态机组合，并设计了均衡执行过程中的调度逻辑；设计完成了芯片
的MOS管驱动逻辑以及负载检测、断线检测等状态检测逻辑。
最后整合数字保护子系统各部分设计模块，连接数字通信子系统组成完整
数字控制器待测设计，设计模拟电路验证模型，搭建了验证平台。结合各部分
设计的关键功能点设计激励输入，完成验证工作，数字保护子系统各部分功能
均符合预期。
关键词：锂电池组；电池管理芯片；故障监测；均衡管理；
-I-
哈尔滨工业大学硕士学位论文
Abstract
Withthecontinuousevolutionoflithium-ionbatterytechnology,power
lithium-ionbatteriesandenergystoragelithium-ionbatteriesaremoreandmore
widelyusedinlife.Inordertosolvetheproblemofunsafeuseoflithium-ion
batteries,BMSchipsarerequiredtomonitorandmanagetheuseprocessof
lithium-ionbatteriesinrealtime.TheaccuracyofBMSchipsamplingdirectly
affectsthestatusjudgmentresultsofthebatterypackbythebatterymanagement
system,sohigh-precisionsamplingisaprerequisiteforreliableprotectionfunctions.
AsingleBMSchipmanagesmorehigh-