電動(dòng)汽車(chē)中具有電壓和電流同步功能的智能接線(xiàn)盒

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

要對系統中每節電池的充電狀態(tài)或運行狀況狀態(tài)進(jìn)行更加精確的估算，非常重要的一點(diǎn)是對電壓、溫度和電流進(jìn)行準確測量。

電池管理系統(BMS)的主要功能是監測電池電壓、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。電池監控單元包含多個(gè)檢測電池電壓和溫度的電池監控器。

圖1：傳統的BMS架構(a)；具有智能電池接線(xiàn)盒(BJB)的BMS架構(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?；疑蛑惺?/span>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)電池組連接到負載逆變器、電機甚至充電器。

圖1a顯示的是傳統BMS。在此配置中，接線(xiàn)盒內部沒(méi)有有源電子產(chǎn)品；僅有無(wú)源接觸器和保險絲。BJB中所有的測量都在BMU進(jìn)行。BJB通過(guò)線(xiàn)纜連接到模數轉換器(ADC)端子。

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

智能BJB的優(yōu)勢：

· 消除線(xiàn)束和布線(xiàn)。

· 改進(jìn)電壓和電流測量，噪聲更低。

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

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

電壓、溫度和電流測量

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

圖2：BJB內部的高電壓測量

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

· 溫度：溫度測量監測分流電阻器的溫度，以便MCU可以應用補償，此外，還監測接觸器的溫度以確保其不承受應力

· 電流:電流測量基于：

   * 分流電阻器。由于電動(dòng)汽車(chē)中的電流可以高達數千安，因此這些分流電阻器要非常小，為25微歐至50微歐。

   * 霍爾效應傳感器。通常情況下，其動(dòng)態(tài)范圍有限，因此，有時(shí)系統中會(huì )使用多個(gè)傳感器來(lái)測量整個(gè)范圍?；魻栃獋鞲衅鞅举|(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中的任何位置，因為它們本身可以提供隔離式測量。

電壓和電流同步

電壓和電流同步是指測量電池組監控器和電池監控器之間進(jìn)行電壓和電流采樣存在的延時(shí)時(shí)間。這些測量主要用于通過(guò)電阻抗譜分析來(lái)計算充電狀態(tài)和運行狀況狀態(tài)。通過(guò)測量電池的電壓、電流和功率來(lái)計算電池阻抗，BMS可以監測汽車(chē)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)現時(shí)間同步，以便提供更準確的功率和阻抗估算。進(jìn)行采樣的特定時(shí)間間隔稱(chēng)為同步間隔。同步間隔越小，功率估算或阻抗估算越準確。未同步數據誤差是成比例的。充電狀態(tài)估算越準確，駕駛員的行駛里程越長(cháng)。

同步要求

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

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

· 每個(gè)電池監控器可以測量6至18節電池；每節電池的數據長(cháng)度為16位。大量數據需要通過(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 )影響信號路徑，導致電壓和電流同步延遲。

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

結語(yǔ)

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

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

其他資源

· 觀(guān)看以下TI培訓視頻：

  *“用于實(shí)現電壓和電流同步的智能電池接線(xiàn)盒?！?/span>

    *泊車(chē)模式下的xEV電池組自主管理。

· 查看白皮書(shū)“實(shí)現汽車(chē)電氣化的電池管理功能安全注意事項?！?/span>