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

信心對于普及電動汽車和混合動力/電動汽車（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量的精度。為獲得更高的測量精度，必須處理干擾數(shù)據(jù)采集以及將其傳輸?shù)街魈幚砥鞯母咴肼暭墑e。高精度地測量電池電壓、溫度和電流遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠，還需要同步。

電動汽車/混合動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其進行過濾成為了一個難題，從而不影響對電池電壓、溫度和電池組電流的測量。測量誤差可能導(dǎo)致各種后果，包括錯誤報告電池充電狀態(tài)、可能的過度充電和過度電池放電，這都可能會影響駕駛員、乘客和車輛的安全。為應(yīng)對這些挑戰(zhàn)，德州儀器的電池監(jiān)測器和平衡器產(chǎn)品組合旨在通過實現(xiàn)集成的噪聲過濾波來實現(xiàn)高電壓測量的精度，這也最大程度地減少了對額外外部組件的需求。

圖1：顯示電源需要電池監(jiān)測的電動汽車示例

當(dāng)今信號噪聲濾波解決方案的缺點

對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)的信號噪聲，包括電池電壓、溫度和電流的測量以及此數(shù)據(jù)與主電子控制單元（ECU）通信的方式。

該信號噪聲來自車輛的不同區(qū)域，包括加熱器、逆變器電機和充電器。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，這會影響需要監(jiān)測的信號質(zhì)量。因此，為實現(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“必做之事”，無論噪聲來自何處。降噪不當(dāng)或不足會在測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）面臨著一個主要挑戰(zhàn)，因為很難準(zhǔn)確描述噪聲源特征，這樣清晰的組件選擇可對其進行完整濾波。這一未知情況影響完整濾波的執(zhí)行方式。通常來講，設(shè)計工程師會選擇離散的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，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)計人員還應(yīng)注意集成到電池監(jiān)測器中的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器的類型。例如，在BMS監(jiān)測器中都有并行的Σ - ΔADC，每個通道帶有抽取濾波器，這有助于抑制噪聲，但每次測量的轉(zhuǎn)換時間較長。這反過來會影響總電壓測量速度。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間差，從而對它們的同步產(chǎn)生問題。

克服與測量同步相關(guān)的挑戰(zhàn)

同步電池電壓的測量無疑對充電狀態(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，其會導(dǎo)致電池電壓測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，該數(shù)字必須遠(yuǎn)低于低于1毫秒，并盡可能接近0。

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

但是，還必須記住菊花鏈通信線路上發(fā)生的時間延遲，因為每個BMS監(jiān)測器都將其數(shù)據(jù)向下傳輸?shù)街?a class="contentlabel" href="http://www.ex-cimer.com/news/listbylabel/label/ECU">ECU。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。市場評估大約是10毫秒，20毫秒，有時甚至是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毫秒的時間內(nèi)對齊。

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

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測量之前集成前端濾波器來解決噪聲問題，因此可在進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現(xiàn)簡易的、低額定電壓值和差分RC濾波器。

此外，集成了后置測量濾波器，以提高ADC轉(zhuǎn)換后的測量精度，并提供多種頻率濾波選件供您選擇。集成的ADC后，數(shù)字低通濾波器可實現(xiàn)類似直流的電壓測量，以實現(xiàn)更佳的SOC計算。德州儀器監(jiān)測器在Ta = 80C時支持高達(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BQ79616的96-電池400V系統(tǒng)中，電壓測量可在 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量增量僅為120微秒。這種通信時間縮短將讓ECU有更多時間執(zhí)行其他操作，并提高了總體故障檢測時間容差。

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，主機可通過單個接口與整個電池組進行通信。若發(fā)生通信線路中斷時，菊花鏈通信接口可配置為環(huán)形架構(gòu)，允許主機能夠與堆棧兩端的設(shè)備進行通信。

一個長期的、經(jīng)濟高效的噪聲過濾解決方案

通過消除對外部噪聲過濾組件的需求，工程師可提高測量的完整性和精度，實現(xiàn)通道間測量同步，并減少所有測量返回到主機的時間。此過程還應(yīng)有助于生成一個優(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）計算目標(biāo)上實現(xiàn)1%的誤差。隨著這些改進不斷滲透到EV/HEV市場中，更多具有成本效益和更可靠的產(chǎn)品將推出，這將會進一步提升我們的信心。