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隨著電動汽車 (EV) 越來越受歡迎，汽車制造商面臨的挑戰(zhàn)是消除駕駛員的“里程焦慮”，同時讓汽車更實惠。電池管理系統(tǒng)（ BMS ）時刻監(jiān)控電池的使用狀態(tài)，防止電池出現(xiàn)過充電和過放電，延長電池的使用壽命，監(jiān)控電池的狀態(tài)等，通過必要措施緩解電池組的不一致性，為新能源車輛的使用安全提供保障。這對于電池組而言，意味著成本更低，能量密度更高，電池存儲和檢索技術(shù)對于延長行駛里程至關(guān)重要。
準確測量電壓、溫度和電流對于實現(xiàn)對系統(tǒng)中每個電池的充電狀態(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 通常有一個微控制器 (MCU)，它管理電池組內(nèi)的所有功能。淺藍色塊是BJB，它是一個繼電器盒或帶有大接觸器的開關(guān)盒，將整個電池組連接至負載逆變器、電機甚至充電器。
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絲。BJB 中的所有測量值都是在 BMU 測量的。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。在這個概念中，盒子內(nèi)有一個專用的電池組監(jiān)視器，可以測量所有電壓和電流，并使用簡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。
? 以更低的噪聲改進電壓和電流測量。
? 簡化硬件和軟件開發(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量。延遲降低可增強充電狀態(tài)估計。
電壓、溫度和電流測量
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)測量的不同高電壓、電流和溫度。
圖 2：BJB 內(nèi)部的高壓測量。
電壓：電壓是使用分壓電阻串測量的。這些測量檢查開關(guān)是打開還是關(guān)閉。
溫度：溫度測量監(jiān)控分流電阻器的溫度，以便 MCU 可以應(yīng)用補償，以及接觸器的溫度，以確保它們的健康狀態(tài)。
電流：
電流測量基于一個分流電阻。由于 EV 中的電流可高達數(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。它的動態(tài)范圍通常是有限的，因此，有時系統(tǒng)中有多個傳感器來測量整個范圍。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)上提供了隔離測量。
電壓電流同步
電壓和電流同步是對電池組監(jiān)視器和電池監(jiān)視器之間的電壓和電流進行采樣所存在的時間延遲。這些測量主要用于通過電阻抗譜計算充電狀態(tài)和健康狀態(tài)。通過測量電池上的電壓、電流和功率來計算電池的阻抗，使 BMS 能夠監(jiān)測汽車的瞬時功率。
電池電壓、電池組電壓和電池組電流必須同步，以提供最準確的功率和阻抗估計。在一定的時間間隔內(nèi)采樣稱為同步間隔。同步間隔越小，功率估計或阻抗估計越準確。非同步數(shù)據(jù)的誤差是成比例的。充電狀態(tài)估計越準確，續(xù)航里程就越多。
同步要求
下一代 BMS 將需要在不到 1 ms 的時間內(nèi)進行同步電壓和電流測量，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)視器都有不同的時鐘源；因此，采集的樣本本質(zhì)上不是同步的。
? 每個電芯監(jiān)視器可以測量 6 到 18 個電芯；每個單元的數(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，這可能會消耗電壓和電流同步所允許的時序預(yù)算。
? 任何諸如電壓濾波器或電流濾波器之類的濾波器會影響信號路徑，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 啟動命令來保持時間關(guān)系。這些電池監(jiān)視器還支持延遲 ADC 采樣，以補償通過菊花鏈接口向下傳輸 ADC 啟動命令時的延遲。
結(jié)論
汽車行業(yè)正在進行的大規(guī)模電氣化工作推動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，同時提高系統(tǒng)安全性。電池組監(jiān)控器可以本地測量繼電器前后的電壓、通過電池組的電流。電壓和電流測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現(xiàn)精確的健康狀態(tài)、充電狀態(tài)和電阻抗譜計算，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。
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