如何為先進電動汽車電池管理系統設計智慧電池接線盒

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隨著電動汽車 (EVs) 越來越受歡迎,汽車製造商面臨的挑戰是在使汽車價格更實惠的同時,反映汽車真正的續航里程。這個轉變使得電池組成本必須降低,能量密度也必須提高。從電池中儲存和擷取的每一瓦特小時對於延長行駛里程來說極為重要。

 

電池管理系統 (BMS) 的主要功能是監控電池電壓,電池組電壓和電池組電流。此外,由於電池管理系統的高壓設計,需要測量高壓域和低壓域之間的絕緣電阻,以捕捉電池結構中的缺陷並避免危險情況。

1 : 傳統電池管理系統架構 (a) ; 具有智慧電池接線盒 (BJB) 的電池管理系統架構 (b)

 

圖 1 展示了一個典型的電池管理系統架構,其中包含一個電池單元管理板 (BMU) ,電池監測單元 (CMU) ,和一個電池接線盒 (BJB)。電池單元管理板通常有一個微控制器 (MCU),能夠管理電池組內的所有功能。傳統的電池接線盒是繼電器盒或有大接觸器的開關盒,將整個電池組連接到負載逆變器、馬達或甚至充電器。

 

圖 1a 顯示傳統的電池管理系統。在這種配置中,接線盒內沒有主動電子元件。電池接線盒中的所有量測值都是在電池單元管理板測得的,藉由電線將電池接線盒連接到類比轉數位轉換器 (ADC) 端子。

 

圖 1b 顯示智慧電池接線盒。在這個概念中,接線盒內有專用的電池組監測器,可以量測所有電壓和電流,並使用簡單的雙絞線通訊將資訊傳遞至微控制器。智慧電池接線盒的效益是不需要電線和電纜束,降低噪音而改進電壓和電流量測。

 

電壓、溫度和電流量測

 

圖 2 顯示電池組監控器在 BQ79631-Q1 電池組監控器啟用的電池接線盒內測得的不同高電壓、電流和溫度。

 2:電池接線盒內部的高電壓量測。

 

  • 電壓:使用分壓電阻串量測電壓。這些量測可檢查電子開關已開啟或已關閉。
  • 溫度:溫度量測可監控分流電阻的溫度,以便微控制器可以進行補償,並且可監控接觸器的溫度,藉以確保接觸器並未承受高電壓。
  • 電流:電流量測的依據是:

    • 分流電阻。由於電動汽車中的電流高達數千安培,因此這些分流電阻相當小,在 25 µOhms 到 50 µOhms 的範圍內。
    • 霍爾效應感測器。這種感測器的動態範圍通常有限,因此,有時系統需要多個感測器量測整個範圍。霍爾效應感測器本來就容易遭受電磁干擾。不過,您可以將這些感測器放置在系統中的任何位置,而且這些感測器可以提供隔離測量。

 

過流故障檢測與保護

 

電池管理系統甚至需要檢測與防止過流,以避免在短路、暴露高壓端子或有瑕疵的設備時對電池組造成災難性的破壞。在電池接線盒單元中集成的過流電路將使用通過分流電阻或霍爾效應感測器和電池組監控器測量的電流傳感訊息,接下來處理該量測值,並將其與電池組監控器內的閾值進行比較,同時該閾值具有通過專用輸出發出過流事件信號的能力,該輸出將用於啟用保險絲驅動器,以擊穿高壓分離器 (高溫保險絲)。由於這方面的反應時間需要越快越好,專用的信號處理路徑在電池組監測設備中實行。

電壓和電流同步

電壓和電流同步是對電池組監測器和電池監測器之間的電壓和電流進行採樣而出現的時間延遲。這些測量主要用於透過電阻抗譜計算充電狀態和健全狀況。透過測量電池的電壓、電流和功率來計算電池的阻抗,使電池管理系統能夠監測汽車的瞬時功率。

電池電壓、電池組電壓和電池組電流必須保持時間同步,藉以提供最準確的功率和阻抗估計。在一段特定的時間間隔內採樣稱為同步間隔。同步間隔愈小,功率估計或阻抗估計愈準確。非同步資料的誤差會按比例出現。充電狀態估計愈準確,駕駛獲得的里程就愈多。

同步需求

新世代電池管理系統將需要在不到 1 毫秒的時間內進行同步電壓和電流測量,不過要滿足如此的需求相當有挑戰性:

TI 的電池監測器可以向電池監測器和電池組監測器發出類比轉數位轉換器啟動命令來保持時間關係。這些 TI 電池監測器也支援延遲類比轉數位轉換器採樣,藉以補償透過菊鏈介面向下傳輸類比轉數位轉換器啟動命令時的傳播延遲。

遠程設備通訊支持

 

智慧電池接線盒的另一個優點是透過多功能的菊鏈介面簡化數據通訊,不僅適用於電池組和電池監測設備,也適用於遠程設備,例如被放置在車輛模組中不同物理位置的 EEPROM 儲存器或是任何類型的感測器。在這種情況下,電池組和監測設備還充當接口轉換器,提供通過菊鍊介面的積體匯流排電路(I2C) 或序列周邊介面 (SPI) 數據,進而消除電線和電纜線束,最終降低電動汽車的整體重量。

 

汽車行業正在進行大規模的電氣化工作,因此需要透過在接線盒中增加電子設備來降低電池管理系統的複雜性,同時提高系統安全性。電池組監測器能夠局部測量繼電器前後的電壓,以及通過電池組的電流。電壓和電流測量準確度的提升將直接導致電池利用最佳化。TI 的BQ79731-Q1 和 BQ79731-Q1 透過將系統所有必要功能集合在單一設備中,進而優化智慧接線盒的性能並降低未來成本。有效的電壓和電流同步能夠實現精準的健康狀態、充電狀態和電化學阻抗圖譜 (EIS) 計算,進而使電池利用最佳化。

 

此外,TI 的BQ79731-Q1 和 BQ79731-Q1 的電池監測器提供準確的電池電壓和溫度測量,作為電池監測單元執行的一部分,實現完整的電池管理生態系統。

 

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