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。