滿足 BMS 電池組電流和電壓測(cè)量要求

了解電池管理系統(tǒng) （BMS） 中的電池組電流測(cè)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(guò)渡，電池正在成為一種突出的儲(chǔ)能設(shè)備。它們的使用范圍包括從太陽(yáng)能電池板和風(fēng)力渦輪機(jī)收集能量，以及將電力儲(chǔ)存在電動(dòng)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(fù)責(zé)使電池組安全、可靠且具有成本效益，同時(shí)提供對(duì)其狀態(tài)的準(zhǔn)確估計(jì)。

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(gè)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(cè)： 需要測(cè)量多個(gè)位置的單個(gè)電池溫度和電池組溫度，以確保以最高效率安全運(yùn)行。
• 充電狀態(tài) （SoC） 和運(yùn)行狀況 （SoH） 估計(jì)： 除了單個(gè)電池電壓測(cè)量外，整個(gè)電池組的精確電流和電壓測(cè)量使BMS能夠準(zhǔn)確估計(jì)電池組的SoC和SoH。準(zhǔn)確估算對(duì)于提高電池效率和安全性非常重要。在電動(dòng)汽車中，電池組的 SoC 和 SoH 計(jì)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(jī)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(cè)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(cè)量和模數(shù)轉(zhuǎn)換器的要求。

了解 BMS 電池組電流測(cè)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(fù)載供電。

例如，在電動(dòng)汽車中，電池組為電動(dòng)機(jī)提供動(dòng)力，電動(dòng)機(jī)將電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能并推動(dòng)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(cè)量雙向電池組電流。一種稱為庫(kù)侖計(jì)數(shù)的方法使用這些測(cè)量的電流來(lái)計(jì)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(gè)或兩個(gè)數(shù)量級(jí)。

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(cè)的典型精度要求。

* 表 1： 電動(dòng)汽車BMS中的電池組電流測(cè)量要求*

另一方面，基于分流的電流測(cè)量是在如此寬的電流范圍內(nèi)實(shí)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(cè)量通常用于監(jiān)測(cè)BMS中電池組的充電和放電電流。然而，基于分流的測(cè)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(jìn)，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(guò)熱和壽命漂移性能。

對(duì)于 EV BMS 電池組電流測(cè)量，分流器范圍為 25 μΩ 至 100 μΩ。

了解 BMS 中的 ADC 要求

實(shí)現(xiàn)具有寬動(dòng)態(tài)范圍的高精度分流電流測(cè)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(shí)現(xiàn)方案包括一個(gè)分辨率至少為24位的ΔΣ ADC，后跟一個(gè)數(shù)字隔離器。

* 圖3： BMS 中基于分流器的電流測(cè)量*

分流器通常放置在電池組的 HV– 端子上，ADC 測(cè)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(dòng)態(tài)范圍內(nèi)測(cè)量小的雙向壓降。

表2列出了電流測(cè)量的ADC性能要求。

* 表 2： 電動(dòng)汽車 BMS 中的 ADC 要求*

由于分流器隨溫度漂移，設(shè)計(jì)人員通常會(huì)在分流器附近放置一個(gè)熱敏電阻，以測(cè)量分流器溫度并補(bǔ)償可能導(dǎo)致電流測(cè)量不準(zhǔn)確的溫度變化。除了測(cè)量電池組電流外，對(duì)電池組進(jìn)行準(zhǔn)確的電壓測(cè)量對(duì)于準(zhǔn)確的SoC和SoH估計(jì)也很重要。對(duì)于此測(cè)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(shí)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(cè)量雙向電流所需的前端，可提供單芯片高性能選項(xiàng)來(lái)測(cè)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(cè)量，例如電源電壓。

隨著對(duì)電池儲(chǔ)能的需求不斷增加，對(duì)精確電池組電流、電壓和溫度測(cè)量的需求變得更加重要。ADC在整個(gè)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(cè)和控制電池組，從而提高系統(tǒng)安全性和可靠性。