準(zhǔn)確測(cè)量電壓、溫度和電流對(duì)于實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)中每個(gè)電池的充電狀態(tài)或健康狀態(tài)的至關(guān)重要。

　　電池管理系統(tǒng) (BMS) 的主要功能是監(jiān)控電池電壓、電池組電壓和電池組電流。圖 1a 顯示了白盒中的電池組，其中堆疊了多個(gè)電池。電池監(jiān)控單元包括電池監(jiān)視器，用于檢查電池的電壓和溫度。

圖1：傳統(tǒng)BMS架構(gòu)（a）；帶有智能電池接線盒 (BJB) 的 BMS 架構(gòu) (b)

　　在圖 1a 中，您依靠電池管理單元 (BMU)。 BMU 通常有一個(gè)微控制器 (MCU)，它管理電池組內(nèi)的所有功能。淺藍(lán)色塊是BJB，它是一個(gè)繼電器盒或帶有大接觸器的開關(guān)盒，將整個(gè)電池組連接至負(fù)載逆變器、電機(jī)甚至充電器。

　　圖 1a 顯示了傳統(tǒng)的 BMS。在這種配置中，接線盒內(nèi)沒有有源電子設(shè)備;它只是無源接觸器和保險(xiǎn)絲。 BJB 中的所有測(cè)量值都是在 BMU 測(cè)量的。電線將 BJB 連接到模數(shù)轉(zhuǎn)換器 (ADC) 端子。

　　圖 1b 顯示了智能 BJB。在這個(gè)概念中，盒子內(nèi)有一個(gè)專用的電池組監(jiān)視器，可以測(cè)量所有電壓和電流，并使用簡(jiǎn)單的雙絞線通信將信息傳遞給 MCU。

　　智能BJB的好處：

　　消除電線和電纜線束。

　　以更低的噪聲改進(jìn)電壓和電流測(cè)量。

　　簡(jiǎn)化硬件和軟件開發(fā)。由于德州儀器 (TI) 電池組監(jiān)視器和電池監(jiān)視器來自同一個(gè)器件系列，因此它們的架構(gòu)和寄存器映射都非常相似。

　　使系統(tǒng)制造商能夠同步電池組電壓和電流測(cè)量。延遲降低可增強(qiáng)充電狀態(tài)估計(jì)。

　　電壓、溫度和電流測(cè)量

　　圖 2 顯示了電池組監(jiān)控器在 BQ79631-Q1 電池組監(jiān)控器啟用的 BJB 內(nèi)測(cè)量的不同高電壓、電流和溫度。

圖 2：BJB 內(nèi)部的高壓測(cè)量。

　　電壓：電壓是使用分壓電阻串測(cè)量的。這些測(cè)量檢查開關(guān)是打開還是關(guān)閉。

　　溫度：溫度測(cè)量監(jiān)控分流電阻器的溫度，以便 MCU 可以應(yīng)用補(bǔ)償，以及接觸器的溫度，以確保它們的健康狀態(tài)。

　　電流：

　　電流測(cè)量基于一個(gè)分流電阻。由于 EV 中的電流可高達(dá)數(shù)千安培，因此這些分流電阻器非常小——在 25 μOhms 到 50 μOhms 的范圍內(nèi)。

　　基于霍爾效應(yīng)傳感器。它的動(dòng)態(tài)范圍通常是有限的，因此，有時(shí)系統(tǒng)中有多個(gè)傳感器來測(cè)量整個(gè)范圍。霍爾效應(yīng)傳感器天生就容易受到電磁干擾。但是，這些傳感器可放置在系統(tǒng)中的任何位置，它們本質(zhì)上提供了隔離測(cè)量。

　　電壓電流同步

　　電壓和電流同步是對(duì)電池組監(jiān)視器和電池監(jiān)視器之間的電壓和電流進(jìn)行采樣所存在的時(shí)間延遲。這些測(cè)量主要用于通過電阻抗譜計(jì)算充電狀態(tài)和健康狀態(tài)。通過測(cè)量電池上的電壓、電流和功率來計(jì)算電池的阻抗，使 BMS 能夠監(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同步，以提供最準(zhǔn)確的功率和阻抗估計(jì)。在一定的時(shí)間間隔內(nèi)采樣稱為同步間隔。同步間隔越小，功率估計(jì)或阻抗估計(jì)越準(zhǔn)確。非同步數(shù)據(jù)的誤差是成比例的。充電狀態(tài)估計(jì)越準(zhǔn)確，續(xù)航里程就越多。

　　同步要求

　　下一代 BMS 將需要在不到 1 ms 的時(shí)間內(nèi)進(jìn)行同步電壓和電流測(cè)量，但要滿足這一要求存在挑戰(zhàn)：

　　所有電池監(jiān)視器和電池組監(jiān)視器都有不同的時(shí)鐘源;因此，采集的樣本本質(zhì)上不是同步的。

　　每個(gè)電芯監(jiān)視器可以測(cè)量 6 到 18 個(gè)電芯;每個(gè)單元的數(shù)據(jù)長度為 16 位。有大量數(shù)據(jù)需要通過菊花鏈接口傳輸，這可能會(huì)消耗電壓和電流同步所允許的時(shí)序預(yù)算。

　　任何諸如電壓濾波器或電流濾波器之類的濾波器會(huì)影響信號(hào)路徑，從而導(dǎo)致電壓和電流同步延遲。

　　TI 的 BQ79616-Q1、BQ79614-Q1 和 BQ79612-Q1 電池監(jiān)視器可以通過向電池監(jiān)視器和電池組監(jiān)視器發(fā)出 ADC 啟動(dòng)命令來保持時(shí)間關(guān)系。這些電池監(jiān)視器還支持延遲 ADC 采樣，以補(bǔ)償通過菊花鏈接口向下傳輸 ADC 啟動(dòng)命令時(shí)的延遲。

　　結(jié)論

　　汽車行業(yè)正在進(jìn)行的大規(guī)模電氣化工作推動(dòng)了通過在接線盒中添加電子設(shè)備來降低 BMS 復(fù)雜性的需求，同時(shí)提高系統(tǒng)安全性。電池組監(jiān)控器可以本地測(cè)量繼電器前后的電壓、通過電池組的電流。電壓和電流測(cè)量精度的提高將直接導(dǎo)致電池的最佳利用。

　　有效的電壓和電流同步可實(shí)現(xiàn)精確的健康狀態(tài)、充電狀態(tài)和電阻抗譜計(jì)算，從而優(yōu)化電池的利用率，延長其使用壽命，并增加行駛里程。