性能更佳的測(cè)量系統(tǒng)如何在嘈雜的環(huán)境中改善EV/HEV電池的健康狀況

信心對(duì)于普及電動(dòng)汽車和混合動(dòng)力/電動(dòng)汽車（EV/HEV）至關(guān)重要，但要為了提升信心，我們必須提高這些車輛中電池測(cè)量的精度。為獲得更高的測(cè)量精度，必須處理干擾數(shù)據(jù)采集以及將其傳輸?shù)街?a target="_blank">處理器的高噪聲級(jí)別。高精度地測(cè)量電池電壓、溫度和電流遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠，還需要同步。

圖1：顯示電源需要電池監(jiān)測(cè)的電動(dòng)汽車示例

電動(dòng)汽車/混合動(dòng)力汽車中的噪聲源具有不同頻率和不同振幅，這使得如何更好地對(duì)其進(jìn)行過濾成為了一個(gè)難題，從而不影響對(duì)電池電壓、溫度和電池組電流的測(cè)量。測(cè)量誤差可能導(dǎo)致各種后果，包括錯(cuò)誤報(bào)告電池充電狀態(tài)、可能的過度充電和過度電池放電，這都可能會(huì)影響駕駛員、乘客和車輛的安全。為應(yīng)對(duì)這些挑戰(zhàn)，德州儀器的電池監(jiān)測(cè)器和平衡器產(chǎn)品組合旨在通過實(shí)現(xiàn)集成的噪聲過濾波來實(shí)現(xiàn)高電壓測(cè)量的精度，這也最大程度地減少了對(duì)額外外部組件的需求。

當(dāng)今信號(hào)噪聲濾波解決方案的缺點(diǎn)

對(duì)于駕駛員和乘客而言，現(xiàn)代汽車更安靜，即使它不是 EV/HEV但并未聽到很多影響內(nèi)部系統(tǒng)的信號(hào)噪聲，包括電池電壓、溫度和電流的測(cè)量以及此數(shù)據(jù)與主電子控制單元（ECU）通信的方式。

該信號(hào)噪聲來自車輛的不同區(qū)域，包括加熱器、逆變器電機(jī)和充電器。這些不同的噪聲都在不同頻率下產(chǎn)生諧振范圍從數(shù)十赫茲到幾百兆赫茲，這會(huì)影響需要監(jiān)測(cè)的信號(hào)質(zhì)量。因此，為實(shí)現(xiàn)盡可能高的性能，消除噪聲或至少抑制多數(shù)噪聲成為一項(xiàng)“必做之事”，無論噪聲來自何處。降噪不當(dāng)或不足會(huì)在測(cè)量路徑中引入諧波分量，導(dǎo)致系統(tǒng)無法解釋的額外誤差。

原始設(shè)備制造商（OEM）面臨著一個(gè)主要挑戰(zhàn)，因?yàn)楹茈y準(zhǔn)確描述噪聲源特征，這樣清晰的組件選擇可對(duì)其進(jìn)行完整濾波。這一未知情況影響完整濾波的執(zhí)行方式。通常來講，設(shè)計(jì)工程師會(huì)選擇離散的RC濾波器和集成電路，這些濾波器和集成電路被保守地過度設(shè)計(jì)，以確保其最安全，從而最終影響整體解決方案的成本和效率。

BMS系統(tǒng)集成商和設(shè)計(jì)人員還應(yīng)注意集成到電池監(jiān)測(cè)器中的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器的類型。例如，在BMS監(jiān)測(cè)器中都有并行的Σ - ΔADC，每個(gè)通道帶有抽取濾波器，這有助于抑制噪聲，但每次測(cè)量的轉(zhuǎn)換時(shí)間較長(zhǎng)。這反過來會(huì)影響總電壓測(cè)量速度。另一方面，多路復(fù)用SAR ADC轉(zhuǎn)換器速度要快得多，但是在所有通道上采樣的電池電壓之間存在時(shí)間差，從而對(duì)它們的同步產(chǎn)生問題。

克服與測(cè)量同步相關(guān)的挑戰(zhàn)

同步電池電壓的測(cè)量無疑對(duì)充電狀態(tài)(SOC)算法的準(zhǔn)確性起著至關(guān)重要的作用。該算法能夠以盡可能小的誤差確定電池的充電狀態(tài)。這些算法在OEM與OEM之間有所差異，其會(huì)導(dǎo)致電池電壓測(cè)量所需的最低同步并沒有真正統(tǒng)一的規(guī)范。但是，原始設(shè)備制造商之間已達(dá)成共識(shí)，該數(shù)字必須遠(yuǎn)低于低于1毫秒，并盡可能接近0。

每個(gè)BMS監(jiān)測(cè)器可同時(shí)測(cè)量的多個(gè)電池的數(shù)量也發(fā)揮著作用。如上所述，根據(jù)BMS監(jiān)測(cè)器的架構(gòu)和通道數(shù)，可通過在每個(gè)通道上安裝一個(gè)ADC（例如Σ- Δ ）來實(shí)現(xiàn)完美同步，以便它們可同時(shí)開始測(cè)量。

但是，還必須記住菊花鏈通信線路上發(fā)生的時(shí)間延遲，因?yàn)槊總€(gè)BMS監(jiān)測(cè)器都將其數(shù)據(jù)向下傳輸?shù)街鱁CU。此處必須考慮通信速度和幀協(xié)議。同樣在此情況下，就此要求而言，OEM廠商之間并未統(tǒng)一。市場(chǎng)評(píng)估大約是10毫秒，20毫秒，有時(shí)甚至是100毫秒。這意味著，例如ECU將必須每10毫秒接收一次與400V系統(tǒng)的電池電壓相關(guān)的數(shù)據(jù)，且在此時(shí)間內(nèi)，所有96電池上采樣的電池電壓必須在小于1毫秒的時(shí)間內(nèi)對(duì)齊。

使用外部組件來過濾噪聲是行不通的

為了獲得一種有效且成本優(yōu)化的解決方案，德州儀器借助其汽車電池監(jiān)測(cè)器和平衡器系列產(chǎn)品，通過最大限度地減少并最終消除了對(duì)外部組件的需求來過濾電池管理系統(tǒng)中的噪聲。

BQ79616-Q1通過在ADC測(cè)量之前集成前端濾波器來解決噪聲問題，因此可在進(jìn)行采樣之前抑制高頻噪聲。集成式前端濾波器使系統(tǒng)能夠在電池單元輸入通道上實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)易的、低額定電壓值和差分RC濾波器。

此外，集成了后置測(cè)量濾波器，以提高ADC轉(zhuǎn)換后的測(cè)量精度，并提供多種頻率濾波選件供您選擇。集成的ADC后，數(shù)字低通濾波器可實(shí)現(xiàn)類似直流的電壓測(cè)量，以實(shí)現(xiàn)更佳的SOC計(jì)算。德州儀器監(jiān)測(cè)器在Ta = 80C時(shí)支持高達(dá)240mA的自主內(nèi)部電池平衡，并具有溫度監(jiān)控、自動(dòng)暫停和重啟平衡功能，以避免過熱的情況。這使ECU的開銷更少，且以更快速度執(zhí)行額外處理。

為了加快所有電池測(cè)量結(jié)果的交付速度，BQ79616-Q1優(yōu)化了通信協(xié)議，以便在菊花鏈配置中實(shí)現(xiàn)快速數(shù)據(jù)返回，從而更好地減少了器件之間的延遲。例如，在采用菊花鏈方式連接六個(gè)BQ79616的96-電池400V系統(tǒng)中，電壓測(cè)量可在 2.5ms 內(nèi)返回到系統(tǒng)、波特率為 1Mbps，其中通道間的電池電壓測(cè)量增量?jī)H為120微秒。這種通信時(shí)間縮短將讓ECU有更多時(shí)間執(zhí)行其他操作，并提高了總體故障檢測(cè)時(shí)間容差。

圖2：采用德州儀器 BQ796XX電池監(jiān)測(cè)器系列的菊花鏈配置示例

包含隔離式雙向菊花鏈端口可支持基于電容器和基于變壓器的隔離，從而允許將最有效的組件用于EV動(dòng)力系統(tǒng)中常見的集中式或分布式架構(gòu)。此外，通過隔離式差分菊花鏈通信接口，主機(jī)可通過單個(gè)接口與整個(gè)電池組進(jìn)行通信。若發(fā)生通信線路中斷時(shí)，菊花鏈通信接口可配置為環(huán)形架構(gòu)，允許主機(jī)能夠與堆棧兩端的設(shè)備進(jìn)行通信。

一個(gè)長(zhǎng)期的、經(jīng)濟(jì)高效的噪聲過濾解決方案

通過消除對(duì)外部噪聲過濾組件的需求，工程師可提高測(cè)量的完整性和精度，實(shí)現(xiàn)通道間測(cè)量同步，并減少所有測(cè)量返回到主機(jī)的時(shí)間。此過程還應(yīng)有助于生成一個(gè)優(yōu)化的、具有成本效益的解決方案，以幫助OEM在SOC和健康狀態(tài)（SOH）計(jì)算目標(biāo)上實(shí)現(xiàn)1%的誤差。隨著這些改進(jìn)不斷滲透到EV/HEV市場(chǎng)中，更多具有成本效益和更可靠的產(chǎn)品將推出，這將會(huì)進(jìn)一步提升我們的信心。