摘要
锂离子(Li-Ion)电池是电动轿车和混合动力轿车的常用储能办法。这些电池可供给的能量密度在一切现有电池技能中是十分高的，可是假如要最大极限地进步功用，有必要运用电池监控体系(BMS)。先进的BMS不只使您可以从电池组中提取很多的电荷，而且还可以以更安全的办法办理充电和放电循环，然后延伸运用寿命。ADI公司供给品种完全的BMS器材组合，专心于精度和稳健的运转。
准确丈量电池的充电状况(SOC)可以延伸电池运转时刻或减轻分量。精细安稳的器材在PCB安装后无需工厂校准。长时刻安稳性进步了安全性并可避免保修问题。自我确诊功用有助于到达适宜的轿车安全完整性等级(ASIL)。电池组是充溢电磁搅扰(EMI)应战的环境，因而在规划数据通讯链路时要进行特别处理，以保证丈量芯片与体系操控器之间稳健牢靠的通讯。电缆和衔接器是形成电池体系毛病的首要原因，因而本文介绍了无线处理计划。无线通讯规划进步了牢靠性并减轻了体系总分量，然后添加了每次充电的行进路程。
简介
储能单元有必要可以供给大容量，而且能以可控办法开释能量。假如不能进行恰当的操控，能量的存储和开释会导致电池灾难性毛病，并终究引起火灾。电池或许会因为多种原因而产生毛病，其间大多数与不妥运用有关。毛病或许来自机械应力或损坏，以及以深度放电、过度充电、过电流和热过应力等办法体现出的电气过载。为了尽或许进步功率和安全性，电池监控体系必不行少。
BMS的首要功用是经过监控以下物理量使电池组中一切单节电池坚持在其安全作业区域(SOA)中：电池组充电和放电电流、单节电池电压以及电池组温度。依据这些数值，不只可以使电池安全运转，而且可以进行SOC和健康状况(SOH)核算。
BMS供给的另一个重要功用是电池平衡。在电池组中，可以将单节电池并联或串联放置，以到达所需的容量和作业电压（高达1 kV或更高）。电池制作商试图为电池组供给相同的电池，但这在物理上并不实际。即便很小的差异也会导致不同的充电或放电电平，而电池组中最弱的电池会严重影响电池组的全体功用。准确的电池平衡是BMS的一项重要功用，它可保证电池体系以其最大容量安全运转。
BMS架构
电动轿车电池由几节电池串联组成。一个典型的电池组（具有96节串联电池）以4.2 V充电时会产生超越400 V的总电压。电池组中的电池节数越多，所到达的电压就越高。一切电池的充电和放电电流都相同，可是有必要对每节电池上的电压进行监控。为了包容高功率轿车体系所需的很多电池，一般将多节电池分红几个模块，并分置于车辆的整个可用空间内。典型模块具有10到24节电池，可以选用不同装备进行安装以合适多个车辆渠道。模块化规划可作为大型电池组的根底。它答应将电池组分置于更大的区域，然后更有用地运用空间。
ADI公司开发了一系列电池监控器，可以丈量多达18节串联衔接的电池。AD7284 可以丈量8节电池，LTC6811 可以丈量12节电池，LTC6813 则可以丈量18节电池。图1显现了一个典型的具有96节电池的电池组，分为8个模块，每个模块12个电池单元。在本示例中，电池监控器IC为可丈量12节电池的LTC6811。该IC具有0 V至5 V的电池丈量规模，合适大多数电池化学运用。可将多个器材串联，以便一起监测很长的高压电池组。该器材包含每节电池的被迫平衡。数据在阻隔栅两头进行交流并由体系操控器编译，该操控器担任核算SOC、操控电池平衡、查看SOH，并使整个体系坚持在安全约束内。
图1.选用LTC6811 12通道丈量IC、具有96节电池的电池组架构。
为了在电动轿车/混合动力轿车的高EMI环境中支撑分布式模块化拓扑，稳键的通讯体系必不行少。阻隔CAN总线和ADI的isoSPITM都供给了经过验证的处理计划，合适在这种环境中进行模块互联。1虽然CAN总线为在轿车运用中互联电池模块供给了完善的网络，但它需求许多附加元件。例如，经过LTC6811的isoSPI接口完结阻隔CAN总线需求添加一个CAN收发器、一个微处理器和一个阻隔器。CAN总线的首要缺陷是这些额定元件会添加本钱和电路板空间。图2显现了依据CAN的一种可行架构。在这个示例中，一切模块都并联衔接。
ADI立异的双线式isoSPI接口是CAN总线接口的代替办法。1isoSPI接口集成在每个LTC6811中，运用一个简略的变压器和一根简略的双绞线，而非CAN总线所需的四线。isoSPI接口供给了一个抗噪接口（用于高电平RF信号），运用该接口可以将模块经过长电缆以菊花链办法衔接，并以高达1 Mbps的数据速率运转。图3显现了依据isoSPI并运用CAN模块作为网关的架构。
图2和图3所示的两种架构各有利弊。CAN模块是标准化模块，可以与其他CAN子体系同享同一总线运转；isoSPI接口是专有接口，只能与相同类型的器材进行通讯。另一方面，isoSPI模块不需求额定的收发器和MCU来处理软件仓库，然后使处理计划更紧凑、更易于运用。两种架构都需求有线衔接，这在现代BMS中具有显着的缺陷，因为在布线中，导线走线至不同的模块会成为一个扎手的问题，一起又添加了分量和杂乱性。导线也很简单吸收噪声，然后需求进行额定的滤波。
无线BMS
无线BMS是一种新颖的架构，它消除了通讯布线。1在无线BMS中，每个模块的互联都经过无线衔接办法完结。大型多节电池的电池组无线衔接的优势是：
连线杂乱度更低
分量更轻
Lower cost
本钱更低
安全性和牢靠性更高
因为恶劣的EMI环境以及RF屏蔽金属构成的信号传达妨碍，无线通讯成为一个难题。
ADI的SmartMesh®嵌入式无线网络在工业物联网(IoT)运用中经过了现场验证，可经过运用途径和频率分集来完结冗余，然后在工业、轿车和其他恶劣环境中供给牢靠性超越99.999%的衔接。
除了经过创立多个冗余衔接点来改进牢靠性之外，无线Mesh网络还扩展了BMS的功用。SmartMesh无线网络可完结电池模块的灵敏放置，并改进了电池SOC和SOH的核算。这是因为可以从安装在曾经不合适布线之处的传感器搜集更多的数据。SmartMesh还供给了来自每个节点的时刻相关丈量成果，然后可以完结愈加准确的数据搜集。图4显现了有线互联和无线互联电池模块的比较。
ADI演示了业界首款无线轿车BMS概念车，在BMW i3.2车型中整合了LTC6811电池组监控器和ADI SmartMesh网络技能。这是一项重大突破，有望进步电动轿车/混合动力轿车大型多节电池组的牢靠性，并下降本钱、分量和布线杂乱性。
图2.独立的CAN模块并联。
图3.选用CAN网关的模块串联。
准确丈量的重要性
精度是BMS的一个重要特性，关于LiFePO4电池至关重要。3,4为了了解该特性的重要性，咱们考虑图5中的示例。为了避免过度充电和放电，电池单元应坚持在满容量的10%到90%之间。在85 kWh的电池中，可用于正常行进的容量仅为67.4 kWh。假如丈量差错为5%，为了持续安全地进行电池运转，有必要将电池容量坚持在15%至85%之间。总可用容量已从80%削减到了70%。假如将精度进步到1%（关于LiFePO4电池，1 mV的丈量差错相当于1%的SOC差错），那么电池现在可以在满容量的11%到89%之间运转，添加了8%。运用相同的电池和精度更高的BMS，可以添加每次充电的轿车行进路程。
电路规划人员依据数据手册中的标准来预算电池丈量电路的精度。其他实际国际的效应一般会在丈量差错中占主导地位。影响丈量精度的要素包含：
•初始容差
•温度漂移
•长时刻漂移
•湿度
•PCB安装应力
•噪音按捺
图4.电池监控互联办法比较。
图5.电池充电约束。
完善的技能有必要考虑一切这些要素，才干供给十分超卓的功用。IC的丈量精度首要受基准电压的约束。基准电压对机械应力很灵敏。PCB焊接期间的热循环会产生硅应力。湿度是产生硅应力的另一个原因，因为封装会吸收水分。硅应力会跟着时刻的推移而松懈，然后导致基准电压的长时刻漂移。
电池丈量IC运用带隙基准电压或齐纳基准电压。IC规划人员运用反向击穿时的NPN发射极-基极结作为齐纳二极管基准电压源。击穿产生在芯片外表，因为污染物和氧化层电荷在此处效应最为显着。这些结噪声高，存在不行猜测的短期和长时刻漂移。埋入式齐纳二极管将结放置在硅外表下方，远离污染物和氧化层的影响。其成果是齐纳二极管具有超卓的长时刻安稳性、低噪声和相对准确的初始容差。因而，齐纳二极管基准电压源在减轻随时刻改变的实际国际的效应方面体现拔尖。
LTC68xx系列运用了试验室级的齐纳二极管基准电压源，这是ADI经过30多年不断完善的技能。图6显现了五个典型单元的电池丈量IC差错随温度的漂移。在整个轿车级温度规模-40°C至+125°C内，漂移都小于1 mV。
图7对比了带隙基准电压源IC和埋入式齐纳二极管基准电压源IC的长时刻漂移。初始丈量值的差错校准为0 mV。经过在30°C下3000小时之后的漂移来猜测十年的丈量漂移。该图片清楚地显现了跟着时刻的推移，齐纳二极管基准电压源具有更超卓的安稳性，至少比带隙基准电压源进步5倍。相似的湿度和PCB安装应力测验标明，埋入式齐纳二极管的功用比带隙基准电压源更胜一筹。
图6.LTC6811丈量差错与温度的联系。
图7.埋入式齐纳二极管和带隙基准电压源之间的长时刻漂移比较。
图8.ADC滤波器的可编程规模和频率呼应。
精度的另一个约束要素是噪声。因为电动轿车/混合动力轿车中的电机、功率逆变器、DC-DC转化器和其他大电流开关体系会产生电磁搅扰，因而轿车电池是面向电子器材十分恶劣的环境。BMS需求可以供给高水平的噪声按捺，才干坚持精度。滤波是用来削减无用噪声的经典办法，但它需求在下降噪声与转化速度之间进行权衡。因为需求转化和传输的电池电压很高，因而转化时刻不能太长。SAR转化器或许是抱负挑选，但在多路复用体系中，速度遭到多路复用信号的树立时刻约束。此刻，Σ-Δ转化器则成为有用的代替计划。
ADI的丈量IC选用了Σ-Δ模数转化器(ADC)。经过Σ-Δ ADC，可在转化进程中输入进行屡次采样，然后取其平均值。成果构成内置低通滤波，然后可消除作为丈量差错源的噪声；截止频率由采样速率确认。LTC6811选用了一个三阶Σ-ΔADC，具有可编程采样速率和八个可选截止频率。图8显现了八个可编程截止频率的滤波器呼应。经过对一切12节电池在290 µs的时刻内快速完结丈量，可完结超卓的降噪作用。大电流注入测验将100 mA的RF噪声耦合到衔接电池与IC的导线中，该测验显现丈量差错小于3 mV。
电池平衡以优化电池容量
即便能准确地制作和挑选电池，它们之间也会显现出纤细的差异。电池之间任何的容量不匹配都会导致电池组全体容量的削减。
为了更好地了解这一点，咱们来考虑一个示例，其间各节电池坚持在满容量的10%到90%之间。深度放电或过度充电会大大缩短电池的有用运用寿命。因而，BMS供给欠压维护(UVP)和过压维护(OVP)电路，以协助避免呈现这些状况。当容量最低的电池到达OVP阈值时，将中止充电进程。在这种状况下，其他电池没有充溢电，而且电池储能没有到达最大答应的容量。相同，当最低充电量的电池到达UVP限值时，体系中止作业。别的，电池组中依然有能量可为体系供电，可是出于安全原因，不能持续运用电池组。
明显，电池组中最弱的电池支配着整个电池组的功用。电池平衡是一种经过在电池充溢电时均衡电池之间的电压和SOC来协助战胜此问题的技能。5电池平衡技能有两种：被迫和自动。
运用被迫平衡时，假如一节电池过度充电，就会将剩余的电荷耗散到电阻中。一般，选用一个分流电路，该电路由电阻和用作开关的功率MOSFET组成。当电池过度充电时，MOSFET关断，将剩余的能量耗散到电阻中。LTC6811运用一个内置MOSFET来操控各节电池的充电电流，然后平衡被监督的每节电池。内置MOSFET可使规划紧凑，并可以满意60 mA的电流要求。关于更高的充电电流，可以运用外部MOSFET。该器材还供给了定时器来调整平衡时刻。
耗散技能的长处是低本钱和低杂乱度。缺陷是能量损耗大而且热规划更杂乱。而另一方面，自动平衡会在模块的其他电池之间从头分配剩余的能量。这样，可以收回能量而且产生的热量更低。这种技能的缺陷是硬件规划更杂乱。
图9.选用自动平衡的12节电池的电池组模块。
图9显现了选用 LT8584 完结的自动平衡。该架构经过自动分流充电电流，并将能量回来电池组来处理被迫分流平衡器存在的问题。能量并没有以热量的办法产生损耗，而是被从头运用，为电池组中的其他电池充电。该器材的架构还处理了一个问题，即当电池组中的一节或多节电池在整个电池组容量竭尽之前就到达较低安全电压阈值时，会形成运转时刻削减。只要自动平衡才干将电荷从强电池从头分配到弱电池。这样可以使弱电池持续为负载供电，然后可从电池组中提取更高百分比的能量。反激式拓扑结构答应电荷在电池组内恣意两点之间往复。大多数运用将电荷回来到电池模块（12节或更多），其他一些运用则将电荷回来到整个电池组，还有些运用将电荷回来到辅佐电源轨。
定论
低排放车辆的要害是电气化，但还需求对动力（锂离子电池）进行智能办理。假如办理不妥，电池组或许会变得不牢靠，然后大大下降轿车的安全性。高精度有助于进步电池的功用和运用寿命。自动和被迫电池平衡可完结安全高效的电池办理。分布式电池模块易于支撑，而且将数据安稳地传递到BMS操控器（无论是有线办法仍是无线办法）可以完结牢靠的SOC和SOH核算。
参考文献
1 Greg Zimmer，“无线电池办理体系突显职业进步牢靠性的驱动力”，凌力尔特，2017年2月。
2“无线BMS概念车”，Lion Smart，2017年6月。
3 Michael Kultgen和Jon Munson，“电池仓库监控器延伸混合动力轿车中锂离子电池的运用寿命”，LT杂志，第19卷第1期，2009年3月。
4 Mike Kultgen和Greg Zimmer，“在储能电池办理体系中最大极限地进步电池监控精度和数据完整性”，ADI公司，2019年。
5 Stephen W. Moore和Peter J. Schneider，“锂离子和锂聚合物电池体系的电池均衡办法总述”，SAE 2001年国际大会，2001年3月。
作者简介
Cosimo Carriero于2006年参加ADI公司，担任现场运用工程师，为战略和要害客户供给技能支撑。他具有意大利米兰Università degli Studi的物理学硕士学位。他曩昔的阅历包含：在意大利核物理研究所(INFN)界说和开发核物理试验仪器，与小公司合作开发工厂自动化传感器和体系，以及在Thales Alenia Space担任卫星电源办理体系高档规划工程师。
