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电动汽车电池管理系统的测量精度优化方案

关键词:电动汽车 电池管理系统 EMS

时间:2020-05-19 14:23:46      来源:网络

随着电池化学特性、可靠性和相关技术的日趋稳定,汽车电池管理系统(BMS)的设计也随之不断发展。如今,BMS 设计人员已经掌握了如何在电气和外部条件均十分恶劣的行车环境下优化 BMS 测量并实现系统的最佳性能。毫伏和毫安精度的电池测量仍是重点,并需要实时同步采集这些电压和电流数据用以功率计算。

  随着电池化学特性、可靠性和相关技术的日趋稳定,汽车电池管理系统(BMS)的设计也随之不断发展。如今,BMS 设计人员已经掌握了如何在电气和外部条件均十分恶劣的行车环境下优化 BMS 测量并实现系统的最佳性能。毫伏和毫安精度的电池测量仍是重点,并需要实时同步采集这些电压和电流数据用以功率计算。

  此外,BMS 还须评估每次测量的有效性,因为它需要最大限度地提高数据的完整性,以识别、区分并根据错误或可疑数据进行判断。经过持续探索和优化,BMS IC 制造商已可以提供关键体系架构,以满足电动汽车(EV)电池管理系统对全面监控,严格的安全性,可靠性和高性能的要求。

  由于电池性能会随正常使用而退化,因此 BMS IC 的选择对于延长电池组的使用寿命也至关重要。在工作过程中,电池组健康状态(SOH)的准确性可以帮助车辆电池管理电子设备在电池使用与供电控制上进行优化,以延长电池组的剩余寿命。电池管理 IC 能否在车辆使用寿命内保持其精确的测量精度,是直接影响电池管理设计的关键要素。电池电芯测量中的任何偏差或不稳定都会直接影响车辆的行驶里程和电池寿命,进而影响汽车制造商的维修及经营成本。

  为电动汽车供电的锂离子电池通常有 8-10 年的保修期。此后,则认为其不再适用于车辆牵引,但电池可能仍保持其原始容量的 80%。因此可以将车辆使用过的旧电池组以指定的剩余寿命迁移到其它需自耗电池的应用中,进行二次使用。

  对汽车制造商而言,成功的 BMS 需要在系统设计初期就仔细选择 BMS IC。制造商需要了解在整个操作环境和车辆使用寿命的过程中,特别是高电压电池和逆变器噪声等恶劣的电磁干扰(EMI)环境下,各个 IC 供应商所提供的产品测量精度与稳定性之间的差异。

  优良的锂离子监测系统四个最重要的标准:

  精度——对于具有平坦放电曲线的电池类型(如磷酸铁锂电池),电池精度是最重要的标准;

  全面诊断——除了监测每个电芯的状态外,系统还须不间断地对其自身进行功能安全检测,以确保每个 IC 都以预期的精度运行;

  可靠通信——监控系统的所有环节都必须协调运行,因此必须确保系统间通信的可靠性,而大多数传统通信方法则无法满足嘈杂行车环境中这一需求。

  安全性——系统通过适当地管理锂离子电池避免故障与安全问题。发生故障时,系统必须采取适当的控制措施,同时避免误报。

  磷酸铁锂电池由于其低内部阻抗而适用于较小的电池组。这种电池类型使系统工程师需要检测电池放电时电池电压的细微变化。而测量这些微小变化需要复杂的模拟前端(AFE)、准确且稳定的电压基准以及精密的模数转换器(ADC),这对 BMS IC 设计人员来说是一个巨大的挑战。

  多电池平衡 IC 中的关键要素

  准确的电压基准是所有 BMS IC 的核心。芯片所采用的参考拓扑类型各不相同,带隙结构是最常用的,它们在精度与芯片面积之间,以及整个温度范围内的精度都做了最佳的权衡。例如,ISL78714 锂电池组管理 IC 使用了精确的带隙基准设计,这一设计具有良好的应用记录,并非常适合要求苛刻的汽车应用。该技术稳定、成熟、特点鲜明,并经过多年应用及优化。准确的电压基准直接影响汽车制造商的保修和经营成本指标,是设计人员计算车辆电池寿命时考虑的一个关键因素。

  除了精度基准,用于测量精度的另一个关键功能模块是 ADC,主电池电压测量模块。两种最流行和最常用的 ADC 类型是逐次逼近寄存器(SAR)和 delta-sigma。在这两种技术中,SAR 具有最快的采样率,能够提供高速的电压转换和出色的抗噪性,但往往需要更大的芯片面积。SAR ADC 是可以提供数据采集速度、精度、强度和抗电磁干扰能力组合的最佳选择。

  IC 设计人员也会倾向于 delta-sigma ADC,因为它们通常需要较小的芯片面积且相对容易实现。但由于使用了抽取滤波器,它们的速度往往较慢,这会降低采样率和数据采集速度。采用 delta-sigma ADC 时的另一个考虑因素是在受到 EMI 干扰时趋于饱和,这可能导致在准确报告电芯电压时出现延迟(通常为三个完整的转换周期)。

  单个电池的接口由 AFE 管理,该 AFE 包括输入缓冲器、电平移位器和故障检测电路。当电池最初连接到 BMS 时,AFE 是处理热插拔瞬变的关键。BMS IC 采用全差分 AFE 设计,可在不影响相邻电池测量的情况下测量负输入电压(±5V),这在需要总线互联的系统中十分有利。为提高瞬态条件下的强度,电池电压输入端增加了一个外部低通滤波器。

  输入滤波的设计经过优化,在不影响速度或精度的同时获得最大的 EMI 和热插拔抗扰度。相比之下,使用双极而非电荷耦合 AFE 的集成电路的精度和长期偏移会因为外部输入滤波器选择的组件值而大大降低。图 1 显示了 BMS IC 的三个功能模块及其互联的简化图示。

图 1. ISL78714 锂电池组管理器的简化框图

  稳定的线性带隙基准、SAR ADC 和全差分 AFE 相结合,使锂电池组管理器具有快速的数据采集能力、强度和精度。BMS IC 的高精确度并不仅仅依靠出厂时的测量精度值,还需要在安装到印刷电路板(PCB)后进行独立验证。图 2a 和 2b 显示了集成电路在电池电压和温度范围内的精度,这对于电池系统设计人员而言至关重要,因为他们需要系统误差预算值来保证车辆的使用寿命,并须考虑可靠且可预测的精度指标。

图 2a

图 2b

图 2. 30 块 BMS 板组装 1000 小时后的测试数据

  因此,建议设计人员仔细检查,并应在每个 IC 供应商提供的数据表之间详细比较,尤其是精度、数据采集速度和输入滤波器要求(包括它们对精度的影响)等方面。

  PCB 布板与配置的注意事项

  焊接会在 PCB 上产生应力,使 BMS 集成电路在 X 和 Y 两个平面发生弯曲,从而在硅特性中产生亚原子应力,进而影响集成电路的性能。由于基准是测量电路的关键因素,其特性的任何变化都会直接影响 ADC 的精度,这是精密芯片行业中众所周知的现象。芯片设计者可通过将敏感电路小心地放置在不太可能受焊接和其它制造应力影响的芯片区域中,来解决这一问题。

  或者,IC 设计人员可以选择更昂贵的基准设计技术,例如在同一 IC 封装内放置单独的基准裸片或使用单独的离散基准芯片。无论使用哪种 IC 技术,PCB 的设计和制造阶段都至关重要。因此,精确的 IC 布板技术以及对芯片安装和焊接方案的细致考量,会帮助缓解很多问题。

  例如,BMS 设计人员遵循 ISL78714 推荐的 PCB 布板指南和焊接回流曲线,会看到 IC 板级单元读数精度和长期漂移特性均为对数且可预测。该 IC 的长期漂移性能数据来自 25°C 的实验室实际测试及加速的寿命测试。完整使用寿命精度是初始板级精度和寿命偏移(例如,总和平均值和 RSS 标准偏差)的矢量和。图 3 显示了在 15 年的使用寿命内典型的电池读取偏差的结果。

图 3. 在±6σ(焊后)下的初始板级电池误差 vs. 使用寿命

  结论

  电池管理设计的一个关键因素是电池性能,而在车辆使用寿命中,BMS IC 是否有能力保持其测量精度会直接影响电池性能。电池电量测量中的任何偏差或不稳定都会直接影响车辆的行驶里程和电池寿命,进而影响汽车制造商的保修及经营成本。有各种具有不同精度测量拓扑和技术的 BMS IC 可供选用,因此系统设计人员必须仔细考虑如何选择和使用。优化 BMS 设计并了解测量、方案和拓扑结构的潜在差异,以及它们之间相互关系,对于选择最适合其 EV 应用的 BMS 芯片至关重要。

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