从BMS到智能电池接线盒，实现更友好的电池管理系统

随着电动汽车 (EV) 越来越受欢迎，汽车制造商面临的挑战是消除驾驶员的“里程焦虑”，同时让汽车更实惠。这对于电池组而言，意味着成本更低，能量密度更高，电池存储和检索技术对于延长行驶里程至关重要。

准确测量电压、温度和电流对于实现对系统中每个电池的充电状态或健康状态的至关重要。

电池管理系统 (BMS) 的主要功能是监控电池电压、电池组电压和电池组电流。图 1a 显示了白盒中的电池组，其中堆叠了多个电池。电池监控单元包括电池监视器，用于检查电池的电压和温度。

图1：传统BMS架构（a）；带有智能电池接线盒 (BJB) 的 BMS 架构 (b)

在图 1a 中，您依靠电池管理单元 (BMU)。 BMU 通常有一个微控制器 (MCU)，它管理电池组内的所有功能。浅蓝色块是BJB，它是一个继电器盒或带有大接触器的开关盒，将整个电池组连接至负载逆变器、电机甚至充电器。

图 1a 显示了传统的 BMS。在这种配置中，接线盒内没有有源电子设备；它只是无源接触器和保险丝。 BJB 中的所有测量值都是在 BMU 测量的。电线将 BJB 连接到模数转换器 (ADC) 端子。

图 1b 显示了智能 BJB。在这个概念中，盒子内有一个专用的电池组监视器，可以测量所有电压和电流，并使用简单的双绞线通信将信息传递给 MCU。

智能BJB的好处：

• 消除电线和电缆线束。
• 以更低的噪声改进电压和电流测量。
• 简化硬件和软件开发。由于德州仪器 (TI) 电池组监视器和电池监视器来自同一个器件系列，因此它们的架构和寄存器映射都非常相似。
• 使系统制造商能够同步电池组电压和电流测量。延迟降低可增强充电状态估计。

电压、温度和电流测量

图 2 显示了电池组监控器在 BQ79631-Q1 电池组监控器启用的 BJB 内测量的不同高电压、电流和温度。

图 2：BJB 内部的高压测量。

电压：电压是使用分压电阻串测量的。这些测量检查开关是打开还是关闭。
温度：温度测量监控分流电阻器的温度，以便 MCU 可以应用补偿，以及接触器的温度，以确保它们的健康状态。

电流：

电流测量基于一个分流电阻。由于 EV 中的电流可高达数千安培，因此这些分流电阻器非常小——在 25 µOhms 到 50 µOhms 的范围内。

基于霍尔效应传感器。它的动态范围通常是有限的，因此，有时系统中有多个传感器来测量整个范围。霍尔效应传感器天生就容易受到电磁干扰。但是，这些传感器可放置在系统中的任何位置，它们本质上提供了隔离测量。

电压电流同步

电压和电流同步是对电池组监视器和电池监视器之间的电压和电流进行采样所存在的时间延迟。这些测量主要用于通过电阻抗谱计算充电状态和健康状态。通过测量电池上的电压、电流和功率来计算电池的阻抗，使 BMS 能够监测汽车的瞬时功率。

电池电压、电池组电压和电池组电流必须同步，以提供最准确的功率和阻抗估计。在一定的时间间隔内采样称为同步间隔。同步间隔越小，功率估计或阻抗估计越准确。非同步数据的误差是成比例的。充电状态估计越准确，续航里程就越多。

同步要求

下一代 BMS 将需要在不到 1 ms 的时间内进行同步电压和电流测量，但要满足这一要求存在挑战：

• 所有电池监视器和电池组监视器都有不同的时钟源；因此，采集的样本本质上不是同步的。
• 每个电芯监视器可以测量 6 到 18 个电芯；每个单元的数据长度为 16 位。有大量数据需要通过菊花链接口传输，这可能会消耗电压和电流同步所允许的时序预算。
• 任何诸如电压滤波器或电流滤波器之类的滤波器会影响信号路径，从而导致电压和电流同步延迟。

TI 的 BQ79616-Q1、BQ79614-Q1 和 BQ79612-Q1 电池监视器可以通过向电池监视器和电池组监视器发出 ADC 启动命令来保持时间关系。这些电池监视器还支持延迟 ADC 采样，以补偿通过菊花链接口向下传输 ADC 启动命令时的延迟。

结论

汽车行业正在进行的大规模电气化工作推动了通过在接线盒中添加电子设备来降低 BMS 复杂性的需求，同时提高系统安全性。电池组监控器可以本地测量继电器前后的电压、通过电池组的电流。电压和电流测量精度的提高将直接导致电池的最佳利用。

有效的电压和电流同步可实现精确的健康状态、充电状态和电阻抗谱计算，从而优化电池的利用率，延长其使用寿命，并增加行驶里程。