傳感器融合如何提高電池管理系統(tǒng)性能和電池壽命

在為電動汽車 (EV)、住宅和公用事業(yè)級電池儲能系統(tǒng) (BESS) 以及自主移動機(jī)器人 (AMR) 等應(yīng)用設(shè)計電池管理系統(tǒng) (BMS) 時，傳感器融合是一種非常有用的方式。例如，為了最大限度地提高電池性能和使用壽命，電量狀態(tài) (SoC) 和健康狀態(tài) (SoH) 是 BMS 需要監(jiān)控和管理的重要特征。要掌握電池的 SoC 和 SoH 狀態(tài)，就可以采用傳感器融合技術(shù)，將電壓、電流和溫度測量實(shí)時結(jié)合起來。

在為電動汽車 (EV)、住宅和公用事業(yè)級電池儲能系統(tǒng) (BESS) 以及自主移動機(jī)器人 (AMR) 等應(yīng)用設(shè)計電池管理系統(tǒng) (BMS) 時，傳感器融合是一種非常有用的方式。例如，為了最大限度地提高電池性能和使用壽命，電量狀態(tài) (SoC) 和健康狀態(tài) (SoH) 是 BMS 需要監(jiān)控和管理的重要特征。要掌握電池的 SoC 和 SoH 狀態(tài)，就可以采用傳感器融合技術(shù)，將電壓、電流和溫度測量實(shí)時結(jié)合起來。
不過，要想獲得最佳效果，BMS 中的傳感器必須高度精確，且要符合環(huán)保要求。即使是微小的傳感器誤差也會隨著時間的推移而產(chǎn)生累積效應(yīng)，導(dǎo)致對 SoC 和 SoH 的估計錯誤。此外，SoC 和 SoH 的計算必須考慮充電和放電的速率以及電池的溫度歷史。這些挑戰(zhàn)都可以通過傳感器融合來解決。
讓我們快速了解一下 SoC 和 SoH 的含義及其計算方法，以及溫度變化對其精度的影響。然后了解傳感器融合如何提高 BMS 性能，并舉例說明可用于汽車和工業(yè) BMS 設(shè)計的電壓、電流和溫度傳感器。
什么是 SoC 和 SoH？
SoC 是指電池中電的量。鋰 (Li) 電池的放電曲線非常平緩，其電壓在放電約 80% 之前幾乎是恒定的，因此測量輸出電壓并不是測量 SoC 的有效方法。要測量 SoC，BMS 需要監(jiān)控電流并測量進(jìn)出電池的庫侖數(shù)。
SoC 是一個測量值，而 SoH 則是電池現(xiàn)有容量占新電池容量百分比的估計值。目前已開發(fā)出許多估算 SoH 的算法，所有算法都依賴于傳感器融合。SoH 算法中使用的一些常用參數(shù)包括：
· 阻抗
· 自放電率
· 接受充電的能力
· 充電/放電次數(shù)
· 電池使用年限
· 電池的溫度歷史
· 累計充放電的電量
SoC 和 SoH 的傳感器融合是通過分布在整個電池系統(tǒng)中的傳感器實(shí)現(xiàn)的，包括單個電池組中的溫度傳感器、多芯電池監(jiān)控器中的電壓和溫度傳感器、高壓 (HV) 配電總線中的電流監(jiān)控器以及主控單元中的集中式高壓檢測和溫度傳感器（圖 1）。要實(shí)現(xiàn)精確的 SoC 和 SoH 計算，就需要傳感器具有高精確度和長期穩(wěn)定性，并能在惡劣條件下工作。

圖 1：需要各種溫度、電壓和電流傳感器（綠色方框）來支持 BMS 中的傳感器融合。（圖片來源：Vishay）

好消息是，Vishay 提供了廣泛的元件來支持您的 BMS 設(shè)計活動。以下傳感器只是冰山之一角。
高壓母線電流檢測
WSLP 系列電阻器非常適合用作高壓母線電流檢測分流器。它們在高溫應(yīng)用中支持高精度檢測，溫度系數(shù)低至每攝氏度百萬分之 75 (ppm/°C)，熱電動勢 (EMF) 低于每攝氏度 3 微伏 (μV)。其阻值從 0.0002 到 0.1 歐姆 (Ω) 不等。另一種高壓母線電流檢測選擇是 WSBS/WSBM 大功率分流器，其阻值低至 25 微歐 (μΩ)，可處理大于 2 千安培 (kA) 的脈沖。此外，WSK1216 大功率金屬帶狀電阻器采用四端子設(shè)計，容差為 1%，阻值低至 0.0002 Ω。
電壓檢測
像 MCA1206MD5004BP500 5 兆歐 (MΩ) 器件這樣的薄膜片式電阻器，可在主控單元和電池監(jiān)控器中用于高壓檢測。該系列汽車級器件提供的阻值范圍從 1 Ω 到 10 MΩ。其工作溫度范圍為 -55 至 175°C，溫度系數(shù)低至 ±10 ppm 每開爾文 (ppm/K)。TNPW 高穩(wěn)定性、薄膜片式電阻器專為需要高精度和長期穩(wěn)定性的場合而設(shè)計。經(jīng)過 1000 小時壽命測試后，其電阻漂移率低至 ≤0.05%。
溫度傳感器
Vishay 還提供適合特定 BMS 應(yīng)用的各種溫度傳感器，例如專為表面溫度傳感應(yīng)用而設(shè)計的 NTCALUG 系列耳片式溫度傳感器（圖 2）。它們結(jié)合了電氣絕緣和固體熱接觸特性，可在 -40 至 +150°C 范圍內(nèi)提供準(zhǔn)確、可靠的測量。
NTCS 系列表面貼裝 NTC 熱敏電阻采用玻璃封裝，具有環(huán)保性能，可為電池監(jiān)控電路和主控制單元設(shè)計帶來優(yōu)勢。這些熱敏電阻可在 -40 至 +150°C 溫度范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)高靈敏度、高精度檢測。它們采用陶瓷技術(shù)，有三種尺寸可供選擇： 0402、0603 和 0805。

圖 2：Vishay 提供多種溫度傳感器封裝樣式，包括耳片式（左）和表面貼裝式（右）NTC 溫度傳感器（未按比例）。（圖片來源：Vishay）

結(jié)語
傳感器融合在 BMS 中非常有用，可用于測量電壓、電流和溫度，從而準(zhǔn)確確定電池的 SoC 和 SoH，延長電池壽命，最大限度地提高電池系統(tǒng)性能。如上所述，Vishay 可提供適用于高性能 BMS 設(shè)計的全系列環(huán)保型精密傳感器以及其他元件。