隨著電動(dòng)汽車 （EV） 日益流行，消除駕駛員“里程焦慮”的同時(shí)讓汽車更加經(jīng)濟(jì)實(shí)惠成為汽車制造商面臨的挑戰(zhàn)。這意味著需要降低電池組成本并提高其能量密度。電池中存儲(chǔ)和消耗的每瓦時(shí)能量都對(duì)延長(zhǎng)行駛里程至關(guān)重要。

要對(duì)系統(tǒng)中每節(jié)電池的充電狀態(tài)或運(yùn)行狀況狀態(tài)進(jìn)行更加精確的估算，非常重要的一點(diǎn)是對(duì)電壓、溫度和電流進(jìn)行準(zhǔn)確測(cè)量。

電池管理系統(tǒng) （BMS） 的主要功能是監(jiān)測(cè)電池電壓、電池組電壓和電池組電流。圖 1a 中的綠框顯示的是由多個(gè)電池堆疊的電池組。電池監(jiān)控單元包含多個(gè)檢測(cè)電池電壓和溫度的電池監(jiān)控器。

圖 1：傳統(tǒng)的 BMS 架構(gòu) （a）；

具有智能電池接線盒 （BJB） 的 BMS 架構(gòu) （b）

在圖 1a 中，可以看到電池管理單元 （BMU）。BMU 通常包含一個(gè)微控制器 （MCU），用來(lái)管理電池組中的所有功能。灰色框中是 BJB。它是具有大尺寸接觸器的繼電器箱或開(kāi)關(guān)箱，用于將整個(gè)電池組連接到負(fù)載逆變器、電機(jī)甚至充電器。

圖 1a 顯示的是傳統(tǒng) BMS。在此配置中，接線盒內(nèi)部沒(méi)有有源電子產(chǎn)品；僅有無(wú)源接觸器和保險(xiǎn)絲。BJB 中所有的測(cè)量都在 BMU 進(jìn)行。BJB 通過(guò)線纜連接到模數(shù)轉(zhuǎn)換器 （ADC） 端子。

圖 1b 顯示的是智能 BJB。在此概念中，接線盒內(nèi)部具有專用的電池組監(jiān)控器，可以測(cè)量所有電壓和電流，并通過(guò)簡(jiǎn)單的雙絞線通信將信息傳遞給 MCU。

智能 BJB 的優(yōu)勢(shì)：

消除線束和布線。

改進(jìn)電壓和電流測(cè)量，噪聲更低。

簡(jiǎn)化硬件和軟件開(kāi)發(fā)。由于德州儀器 （TI） 電池組監(jiān)控器和電池監(jiān)控器屬于同一器件系列，因此兩者的架構(gòu)和寄存器映射也非常相似。

支持系統(tǒng)制造商同步電池組電壓和電流測(cè)量。輕微同步延遲可以提升對(duì)充電狀態(tài)的估算。

電壓、溫度和電流測(cè)量

圖 2 顯示的是 BJB 內(nèi)部電池組監(jiān)控器通過(guò) BQ79631-Q1 傳感器測(cè)量的不同高電壓、電流和溫度。

圖 2：BJB 內(nèi)部的高電壓測(cè)量

電壓

電壓測(cè)量使用分壓電阻器串來(lái)實(shí)現(xiàn)。通過(guò)這些測(cè)量可以檢查電子開(kāi)關(guān)處于開(kāi)啟還是關(guān)閉狀態(tài)。

溫度

溫度測(cè)量監(jiān)測(cè)分流電阻器的溫度，以便 MCU 可以應(yīng)用補(bǔ)償，此外，還監(jiān)測(cè)接觸器的溫度以確保其不承受應(yīng)力

電流

電流測(cè)量基于：

分流電阻器。由于電動(dòng)汽車中的電流可以高達(dá)數(shù)千安，因此這些分流電阻器要非常小，為 25 微歐至 50 微歐。

霍爾效應(yīng)傳感器。通常情況下，其動(dòng)態(tài)范圍有限，因此，有時(shí)系統(tǒng)中會(huì)使用多個(gè)傳感器來(lái)測(cè)量整個(gè)范圍?；魻栃?yīng)傳感器本質(zhì)上容易受到電磁干擾的影響。但可以將這些傳感器置于系統(tǒng)中的任何位置，因?yàn)樗鼈儽旧砜梢蕴峁└綦x式測(cè)量。

電壓和電流同步

電壓和電流同步是指測(cè)量電池組監(jiān)控器和電池監(jiān)控器之間進(jìn)行電壓和電流采樣存在的延時(shí)時(shí)間。這些測(cè)量主要用于通過(guò)電阻抗譜分析來(lái)計(jì)算充電狀態(tài)和運(yùn)行狀況狀態(tài)。通過(guò)測(cè)量電池的電壓、電流和功率來(lái)計(jì)算電池阻抗，BMS 可以監(jiān)測(cè)汽車的瞬時(shí)功率。

電池電壓、電池組電壓和電池組電流必須實(shí)現(xiàn)時(shí)間同步，以便提供更準(zhǔn)確的功率和阻抗估算。進(jìn)行采樣的特定時(shí)間間隔稱為同步間隔。同步間隔越小，功率估算或阻抗估算越準(zhǔn)確。未同步數(shù)據(jù)誤差是成比例的。充電狀態(tài)估算越準(zhǔn)確，駕駛員的行駛里程越長(zhǎng)。

同步要求

新一代 BMS 需要將同步電壓和電流測(cè)量延遲控制在 1ms 內(nèi)，但要滿足這項(xiàng)要求會(huì)面臨如下挑戰(zhàn)：

所有電池監(jiān)控器和電池組監(jiān)控器都有不同的時(shí)鐘源；因此，采集的樣片本身就不同步。

每個(gè)電池監(jiān)控器可以測(cè)量 6 至 18 節(jié)電池；每節(jié)電池的數(shù)據(jù)長(zhǎng)度為 16 位。大量數(shù)據(jù)需要通過(guò)菊花鏈接口傳輸，可能會(huì)消耗電壓和電流同步所需的時(shí)間預(yù)算。

任何濾波器（如電壓濾波器或電流濾波器）均會(huì)影響信號(hào)路徑，導(dǎo)致電壓和電流同步延遲。

TI 推出的 BQ79616-Q1、BQ79614-Q1 和 BQ79612-Q1 電池監(jiān)控器可以通過(guò)向電池監(jiān)控器和電池組監(jiān)控器發(fā)出 ADC 啟動(dòng)命令來(lái)保持時(shí)間關(guān)系。這些 TI 電池監(jiān)控器還支持延遲 ADC 采樣，以補(bǔ)償通過(guò)菊花鏈接口傳輸 ADC 啟動(dòng)命令引發(fā)的傳播延遲。

結(jié)語(yǔ)

汽車行業(yè)的大規(guī)模電氣化發(fā)展促使需要通過(guò)在接線盒中添加電子產(chǎn)品來(lái)降低 BMS 復(fù)雜性，并且要提升系統(tǒng)安全性。電池組監(jiān)控器可以在本地測(cè)量繼電器之前和之后的電壓，以及整個(gè)電池組的電流。提升電壓和電流測(cè)量的精度可以直接促進(jìn)對(duì)電池的充分利用。

通過(guò)有效的電壓和電流同步，可以對(duì)運(yùn)行狀況狀態(tài)、充電狀態(tài)和電阻抗譜分析進(jìn)行精確計(jì)算，進(jìn)而充分利用電池，延長(zhǎng)使用壽命并增加行駛里程。