了解電池管理系統(tǒng) （BMS） 中的電池組電流測量和模數(shù)轉(zhuǎn)換器 （ADC） 要求。

隨著從不可再生能源向可再生能源的加速過渡，電池正在成為一種突出的儲能設(shè)備。它們的使用范圍包括從太陽能電池板和風(fēng)力渦輪機收集能量，以及將電力儲存在電動汽車

（EV） 中。

隨著電池技術(shù)的不斷發(fā)展，電池的制造功率和能量密度更高，提高電池管理系統(tǒng)的性能也同樣重要。BMS（如圖1的框圖所示）負責(zé)使電池組安全、可靠且具有成本效益，同時提供對其狀態(tài)的準(zhǔn)確估計。

圖 1：典型的 BMS 框圖

通常，BMS執(zhí)行以下功能：

• 電池平衡： 需要監(jiān)控和平衡各個電池組單元，以便在充電和放電周期期間在電池之間重新分配電荷。
• 溫度監(jiān)測： 需要測量多個位置的單個電池溫度和電池組溫度，以確保以最高效率安全運行。
• 充電狀態(tài) （SoC） 和運行狀況 （SoH） 估計： 除了單個電池電壓測量外，整個電池組的精確電流和電壓測量使BMS能夠準(zhǔn)確估計電池組的SoC和SoH。準(zhǔn)確估算對于提高電池效率和安全性非常重要。在電動汽車中，電池組的 SoC 和 SoH 計算出精確的行駛里程，并決定電池組的充電和放電曲線。
• 隔離監(jiān)控： 此安全關(guān)鍵功能檢查高壓母線和機箱之間的電阻，以確保兩者之間有足夠的隔離。
• 接觸器控制： BMS算法控制預(yù)充電和安全接觸器，以檢測電池組外部或內(nèi)部的任何故障。

在本文中，我們將了解BMS中電池組電流測量和模數(shù)轉(zhuǎn)換器的要求。

了解 BMS 電池組電流測量要求

如圖2所示，電池組通常有兩種工作模式：充電模式和放電模式。

* 圖 2 ：BMS 中的操作模式*

在充電模式下，充電電路為電池組充電;電流流入其 HV+ 端子。

在放電模式下，電池組為外部負載供電。

例如，在電動汽車中，電池組為電動機提供動力，電動機將電能轉(zhuǎn)換為機械能并推動汽車。因此，在放電模式下，電流以與充電模式相反的方向流出HV+端子。

通常，BMS在充電模式和放電模式下測量雙向電池組電流。一種稱為庫侖計數(shù)的方法使用這些測量的電流來計算電池組的SoC和SoH。充電和放電模式下的電流大小可能相差一個或兩個數(shù)量級。

例如，EV的充電電流的典型范圍為0 A至100 A，而放電電流的峰值范圍為2，000 A。

表 1 顯示了 EV BMS 中雙向電池組電流檢測的典型精度要求。

* 表 1： 電動汽車BMS中的電池組電流測量要求*

另一方面，基于分流的電流測量是在如此寬的電流范圍內(nèi)實現(xiàn)精度水平的首選。閉環(huán)霍爾模塊可以作為替代方案，但與基于分流的解決方案相比，它們非常昂貴。

基于低側(cè)分流的電流測量通常用于監(jiān)測BMS中電池組的充電和放電電流。然而，基于分流的測量的挑戰(zhàn)之一是如何處理分流器上的熱耗散。隨著分流技術(shù)的改進，分流器現(xiàn)在具有更小的電阻值，以最大限度地減少熱耗散，并提供非常高的精度以及出色的過熱和壽命漂移性能。

對于 EV BMS 電池組電流測量，分流器范圍為 25 μΩ 至 100 μΩ。

了解 BMS 中的 ADC 要求

實現(xiàn)具有寬動態(tài)范圍的高精度分流電流測量的最成熟方法之一是使用高分辨率三角積分（ΔΣ）ADC。

如圖3所示，典型實現(xiàn)方案包括一個分辨率至少為24位的ΔΣ ADC，后跟一個數(shù)字隔離器。

* 圖3： BMS 中基于分流器的電流測量*

分流器通常放置在電池組的 HV– 端子上，ADC 測量以同一 HV– 端子為參考的分流電流。由于分流器的電阻值非常低，因此分流器兩端的壓降非常小。因此，ADC應(yīng)該能夠在高精度和動態(tài)范圍內(nèi)測量小的雙向壓降。

表2列出了電流測量的ADC性能要求。

* 表 2： 電動汽車 BMS 中的 ADC 要求*

由于分流器隨溫度漂移，設(shè)計人員通常會在分流器附近放置一個熱敏電阻，以測量分流器溫度并補償可能導(dǎo)致電流測量不準(zhǔn)確的溫度變化。除了測量電池組電流外，對電池組進行準(zhǔn)確的電壓測量對于準(zhǔn)確的SoC和SoH估計也很重要。對于此測量，電阻分壓器網(wǎng)絡(luò)可降低HV+端子上的高壓。

圖4顯示了使用德州儀器（TI）ADS131B04-Q1的典型BMS應(yīng)用電路的技術(shù)實現(xiàn)，ADS24B-Q是一款四通道、同步采樣ΔΣ ADC。

* 圖4： 在裸金屬服務(wù)器中使用 ADS131B04-Q1*

高壓端子用作 BMS 高壓側(cè)的接地參考。因此，ADS131B04-Q1 的 AGND 和 DGND 引腳以及分流器、熱敏電阻和電阻分壓器網(wǎng)絡(luò)的低端都連接到 HV – 端子。電阻分壓器網(wǎng)絡(luò)的一側(cè)熱敏電阻和底部電阻的一側(cè)也連接到同一 HV– 端子。

ADS131B04-Q1 具有集成的低漂移基準(zhǔn)電壓源、低噪聲可編程增益放大器、特殊的全局?jǐn)夭ㄆ葡δ芤约皽y量雙向電流所需的前端，可提供單芯片高性能選項來測量：

• 電池組電流具有高分辨率和高精度，使用低側(cè)分流電阻器。
• 電池組電壓，采用高壓電阻分壓器。
• 分流溫度，使用熱敏電阻。
• 用于診斷目的的輔助測量，例如電源電壓。

隨著對電池儲能的需求不斷增加，對精確電池組電流、電壓和溫度測量的需求變得更加重要。ADC在整個溫度范圍內(nèi)的低失調(diào)和增益誤差以及低噪聲使BMS能夠更有效地監(jiān)測和控制電池組，從而提高系統(tǒng)安全性和可靠性。