電動汽車中具有電壓和電流同步功能的智能接線盒

隨著電動汽車(EV)日益流行，消除駕駛員“里程焦慮”的同時讓汽車更加經(jīng)濟(jì)實惠成為汽車制造商面臨的挑戰(zhàn)。這意味著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能量都對延長行駛里程至關(guān)重要。

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

電池管理系統(tǒng)(BMS)的主要功能是監(jiān)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電池堆疊的電池組。電池監(jiān)控單元包含多個檢測電池電壓和溫度的電池監(jiān)控器。

圖1：傳統(tǒng)的BMS架構(gòu)(a)；具有智能電池接線盒(BJB)的BMS架構(gòu)(b)

在圖1a中，可以看到電池管理單元(BMU)。BMU通常包含一個微控制器(MCU)，用來管理電池組中的所有功能。灰色框中是BJB。它是具有大尺寸接觸器的繼電器箱或開關(guān)箱，用于將整個電池組連接到負(fù)載逆變器、電機(jī)甚至充電器。

圖1a顯示的是傳統(tǒng)BMS。在此配置中，接線盒內(nèi)部沒有有源電子產(chǎn)品；僅有無源接觸器和保險絲。BJB中所有的測量都在BMU進(jìn)行。BJB通過線纜連接到模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)端子。

圖1b顯示的是智能BJB。在此概念中，接線盒內(nèi)部具有專用的電池組監(jiān)控器，可以測量所有電壓和電流，并通過簡單的雙絞線通信將信息傳遞給MCU。

智能BJB的優(yōu)勢：

· 消除線束和布線。

· 改進(jìn)電壓和電流測量，噪聲更低。

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

· 支持系統(tǒng)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(nèi)部電池組監(jiān)控器通過BQ79631-Q1傳感器測量的不同高電壓、電流和溫度。

圖2：BJB內(nèi)部的高電壓測量

· 電壓:電壓測量使用分壓電阻器串來實現(xiàn)。通過這些測量可以檢查電子開關(guān)處于開啟還是關(guān)閉狀態(tài)。

· 溫度：溫度測量監(jiān)測分流電阻器的溫度，以便MCU可以應(yīng)用補(bǔ)償，此外，還監(jiān)測接觸器的溫度以確保其不承受應(yīng)力

· 電流:電流測量基于：

   * 分流電阻器。由于電動汽車中的電流可以高達(dá)數(shù)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(yīng)傳感器。通常情況下，其動態(tài)范圍有限，因此，有時系統(tǒng)中會使用多個傳感器來測量整個范圍?；魻栃?yīng)傳感器本質(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(tǒng)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(jiān)控器和電池監(jiān)控器之間進(jìn)行電壓和電流采樣存在的延時時間。這些測量主要用于通過電阻抗譜分析來計算充電狀態(tài)和運(yùn)行狀況狀態(tài)。通過測量電池的電壓、電流和功率來計算電池阻抗，BMS可以監(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實現(xiàn)時間同步，以便提供更準(zhǔn)確的功率和阻抗估算。進(jìn)行采樣的特定時間間隔稱為同步間隔。同步間隔越小，功率估算或阻抗估算越準(zhǔn)確。未同步數(shù)據(jù)誤差是成比例的。充電狀態(tài)估算越準(zhǔn)確，駕駛員的行駛里程越長。

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(nèi)，但要滿足這項要求會面臨如下挑戰(zhàn)：

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

· 每個電池監(jiān)控器可以測量6至18節(jié)電池；每節(jié)電池的數(shù)據(jù)長度為16位。大量數(shù)據(jù)需要通過菊花鏈接口傳輸，可能會消耗電壓和電流同步所需的時間預(yù)算。

· 任何濾波器（如電壓濾波器或電流濾波器）均會影響信號路徑，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)控器可以通過向電池監(jiān)控器和電池組監(jiān)控器發(fā)出ADC啟動命令來保持時間關(guān)系。這些TI電池監(jiān)控器還支持延遲ADC采樣，以補(bǔ)償通過菊花鏈接口傳輸ADC啟動命令引發(fā)的傳播延遲。

結(jié)語

汽車行業(yè)的大規(guī)模電氣化發(fā)展促使需要通過在接線盒中添加電子產(chǎn)品來降低BMS復(fù)雜性，并且要提升系統(tǒng)安全性。電池組監(jiān)控器可以在本地測量繼電器之前和之后的電壓，以及整個電池組的電流。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。

通過有效的電壓和電流同步，可以對運(yùn)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，延長使用壽命并增加行駛里程。

其他資源

· 觀看以下TI培訓(xùn)視頻：

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

    *泊車模式下的xEV電池組自主管理。

· 查看白皮書“實現(xiàn)汽車電氣化的電池管理功能安全注意事項?！?/span>