【導讀】鋰離子(Li-Ion)電dian池chi是shi電dian動dong汽qi車che和he混hun合he動dong力li汽qi車che的de常chang用yong儲chu能neng方fang法fa。這zhe些xie電dian池chi可ke提ti供gong的de能neng量liang密mi度du在zai所suo有you現xian有you電dian池chi技ji術shu中zhong是shi非fei常chang高gao的de，但dan是shi如ru果guo要yao較jiao大da限xian度du地di提ti升sheng性xing能neng，必bi須xu使shi用yong電dian池chi監jian控kong係xi統tong(BMS)。先進的BMS不僅使您能夠從電池組中提取大量的電荷，而且還可以以更安全的方式管理充電和放電循環，從而延長使用壽命。ADI公司提供種類齊全的BMS器件組合，專注於精度和穩健的運行。

精確測量電池的充電狀態(SOC)可以延長電池運行時間或減輕重量。精密穩定的器件在PCB裝配後無需工廠校準。長期穩定性提高了安全性並可避免保修問題。自我診斷功能有助於達到合適的汽車安全完整性等級(ASIL)。電池組是充滿電磁幹擾(EMI)挑戰的環境
，因此在設計數據通信鏈路時要進行特別處理，以確 保(bao)測(ce)量(liang)芯(xin)片(pian)與(yu)係(xi)統(tong)控(kong)製(zhi)器(qi)之(zhi)間(jian)穩(wen)健(jian)可(ke)靠(kao)的(de)通(tong)信(xin)。電(dian)纜(lan)和(he)連(lian)接(jie)器(qi)是(shi)造(zao)成(cheng)電(dian)池(chi)係(xi)統(tong)故(gu)障(zhang)的(de)主(zhu)要(yao)原(yuan)因(yin)，因(yin)此(ci)本(ben)文(wen)介(jie)紹(shao)了(le)無(wu)線(xian)解(jie)決(jue)方(fang)案(an)。無(wu)線(xian)通(tong)信(xin)設(she)計(ji)提(ti)高(gao)了(le)可(ke)靠(kao)性(xing)並(bing)減(jian)輕(qing)了(le)係(xi)統(tong)總(zong)重(zhong)量(liang)，進(jin)而(er)增(zeng)加(jia)了(le)每(mei)次(ci)充(chong)電(dian)的(de)行(xing)駛(shi)裏(li)程(cheng)。

簡介

chunengdanyuanbixunenggoutigongdarongliang
，bingqienengyikekongfangshishifangnengliang。ruguobunengjinxingshidangdekongzhi
，nengliangdecunchuheshifanghuidaozhidianchizainanxingguzhang，bingzuizhongyinqihuozai。dianchikenenghuiyouyuduozhongyuanyinerfashengguzhang，qizhongdaduoshuyubudangshiyongyouguan。guzhangkenenglaizijixieyinglihuosunhuai，yijiyishendufangdian、過度充電

、過電流和熱過應力等形式表現出的電氣過載。為了盡可能提高效率和安全性
，電池監控係統必不可少。

BMS的主要功能是通過監控以下物理量使電池組中所有單節電池保持在其安全工作區域(SOA)中：電池組充電和放電電流、單節電池電壓以及電池組溫度。基於這些數值，不僅可以使電池安全運行，而且可以進行SOC和健康狀態(SOH)計算。

BMS提供的另一個重要功能是電池平衡。在電池組中，可以將單節電池並聯或串聯放置
，以達到所需的容量和工作電壓（高達1kV或更高）。電dian池chi製zhi造zao商shang試shi圖tu為wei電dian池chi組zu提ti供gong相xiang同tong的de電dian池chi，但dan這zhe在zai物wu理li上shang並bing不bu現xian實shi。即ji使shi很hen小xiao的de差cha異yi也ye會hui導dao致zhi不bu同tong的de充chong電dian或huo放fang電dian電dian平ping，而er電dian池chi組zu中zhong最zui弱ruo的de電dian池chi會hui嚴yan重zhong影ying響xiang電dian池chi組zu的de整zheng體ti性xing能neng。精jing確que的de電dian池chi平ping衡heng是shiBMS的一項重要功能
，它可確保電池係統以其最大容量安全運行。

BMS架構

電動汽車電池由幾節電池串聯組成。一個典型的電池組（具有96節串聯電池）以4.2 V充電時會產生超過400 Vdezongdianya。dianchizuzhongdedianchijieshuyueduo
，suodadaodedianyajiuyuegao。suoyoudianchidechongdianhefangdiandianliudouxiangtong，danshibixuduimeijiedianchishangdedianyajinxingjiankong。weilerongnagaogonglvqichexitongsuoxudedaliangdianchi，tongchangjiangduojiedianchifenchengjigemokuai，bingfenzhiyucheliangdezhenggekeyongkongjiannei。dianxingmokuaiyongyou10到24節jie電dian池chi，可ke以yi采cai用yong不bu同tong配pei置zhi進jin行xing裝zhuang配pei以yi適shi合he多duo個ge車che輛liang平ping台tai。模mo塊kuai化hua設she計ji可ke作zuo為wei大da型xing電dian池chi組zu的de基ji礎chu。它ta允yun許xu將jiang電dian池chi組zu分fen置zhi於yu更geng大da的de區qu域yu，從cong而er更geng有you效xiao地di利li用yong空kong間jian。

ADI公司開發了一係列電池監控器，能夠測量多達18節串聯連 接的電池。 AD7284 可以測量8節電池， LTC6811 可以測量12節電池，LTC6813則可以測量18節電池。圖1顯示了一個典型的具有 96節電池的電池組，分為8個模塊
，每個模塊12個電池單元。在本示例中，電池監控器IC為可測量12節電池的LTC6811。該IC具有0 V至5 V的(de)電(dian)池(chi)測(ce)量(liang)範(fan)圍(wei)，適(shi)合(he)大(da)多(duo)數(shu)電(dian)池(chi)化(hua)學(xue)應(ying)用(yong)。可(ke)將(jiang)多(duo)個(ge)器(qi)件(jian)串(chuan)聯(lian)，以(yi)便(bian)同(tong)時(shi)監(jian)測(ce)很(hen)長(chang)的(de)高(gao)壓(ya)電(dian)池(chi)組(zu)。該(gai)器(qi)件(jian)包(bao)括(kuo)每(mei)節(jie)電(dian)池(chi)的(de)被(bei)動(dong)平(ping)衡(heng)。數(shu)據(ju)在(zai)隔(ge)離(li)柵(zha)兩(liang)邊(bian)進(jin)行(xing)交(jiao)換(huan)並(bing)由(you)係(xi)統(tong)控(kong)製(zhi)器(qi)編(bian)譯(yi)，該(gai)控(kong)製(zhi)器(qi)負(fu)責(ze)計(ji)算(suan)SOC、控製電池平衡、檢查SOH
，並使整個係統保持在安全限製內。

圖1. 采用LTC6811 12通道測量IC
、具有96節電池的電池組架構。

為了在電動汽車/混合動力汽車的高EMI環境中支持分布式模塊化拓撲，穩鍵的通信係統必不可少。隔離CAN總線和ADI的 isoSPI? 都提供了經過驗證的解決方案，適合在這種環境中進行模塊互聯。1盡管CAN總線為在汽車應用中互聯電池模塊提供了完善的網絡
，但它需要許多附加元件。例如
，通過LTC6811的 isoSPI接口實現隔離CAN總線需要增加一個CAN收發器
、一個微處理器和一個隔離器。CAN總線的主要缺點是這些額外元件會增加成本和電路板空間。圖2顯示了基於CAN的一種可行架構。在這個示例中
，所有模塊都並聯連接。

圖2. 獨立的CAN模塊並聯。

ADI創新的雙線式isoSPI接口是CAN總線接口的替代方法。1 接口集成在每個LTC6811中，使用一個簡單的變壓器和一根簡單的雙絞線
，而非CAN總線所需的四線。isoSPI接口提供了一個抗噪接口（用於高電平RF信號），利用該接口可以將模塊通過長電纜以菊花鏈形式連接，並以高達1 Mbps的數據速率運行。圖3顯示了基於isoSPI並使用CAN模塊作為網關的架構。

圖3. 采用CAN網關的模塊串聯。

圖2和圖3所示的兩種架構各有利弊。CAN模塊是標準化模塊，可以與其他CAN子係統共享同一總線運行
；isoSPI接口是專有接口，隻能與相同類型的器件進行通信。另一方麵
，isoSPI模塊不需要額外的收發器和MCU來處理軟件堆棧，從而使解決方案更緊湊、更易於使用。兩種架構都需要有線連接，這在現代BMS 中zhong具ju有you明ming顯xian的de缺que點dian
，因yin為wei在zai布bu線xian中zhong，導dao線xian走zou線xian至zhi不bu同tong的de模mo塊kuai會hui成cheng為wei一yi個ge棘ji手shou的de問wen題ti，同tong時shi又you增zeng加jia了le重zhong量liang和he複fu雜za性xing。導dao線xian也ye很hen容rong易yi吸xi收shou噪zao聲sheng，從cong而er需xu要yao進jin行xing額e外wai的de濾lv波bo。

無線BMS

無線BMS是一種新穎的架構，它消除了通信布線。1 在無線BMS中
，每個模塊的互聯都通過無線連接方式實現。大型多節電池的電池組無線連接的優勢是：

●    連線複雜度更低

●    重量更輕

●    成本更低

●    安全性和可靠性更高

由於惡劣的EMI環境以及RF屏蔽金屬構成的信號傳播障礙，無線通信成為一個難題。

ADI的 SmartMesh® 嵌入式無線網絡在工業物聯網(IoT)應用中經過了現場驗證
，可通過運用路徑和頻率分集來實現冗餘，從而在工業、汽車和其他惡劣環境中提供可靠性超過99.999%的連接。

除了通過創建多個冗餘連接點來改善可靠性之外，無線Mesh網絡還擴展了BMS的功能。SmartMesh無線網絡可實現電池模塊的靈活放置，並改善了電池SOC和SOH的計算。這是因為可以從安裝在以前不適合布線之處的傳感器收集更多的數據。SmartMesh還提供了來自每個節點的時間相關測量結果，從而可以實現更 加精確的數據收集。圖4顯示了有線互聯和無線互聯電池模塊的比較。

圖4. 電池監控互聯方式比較。

ADI演示了業界一款無線汽車BMS概念車
，在 BMW i3.2這是一項重大突破，有望提高電動汽車/混合動力汽車大型多節電池組的 可靠性，並降低成本、重量和布線複雜性。

精確測量的重要性

精度是BMS的一個重要特性，對於LiFePO4電池至關重要。3,4 為了了解該特性的重要性，我們考慮圖5中的示例。為了防止過度充電和放電，電池單元應保持在滿容量的10%到90%之間。在85kWh的電池中，可用於正常行駛的容量僅為67.4 kWh。如果測量誤差為5%
，為了繼續安全地進行電池運行，必須將電池容量保持在15%至85%之間。總可用容量已從80%減少到了70%。如果 將精度提高到1%（對於LiFePO4電池，1 mV的測量誤差相當於1%的SOC誤差）
，那麼電池現在可以在滿容量的11%到89%之間運行，增加了8%。使用相同的電池和精度更高的BMS，可以增加每次充電的汽車行駛裏程。

圖5. 電池充電限製。

電(dian)路(lu)設(she)計(ji)人(ren)員(yuan)根(gen)據(ju)數(shu)據(ju)手(shou)冊(ce)中(zhong)的(de)規(gui)格(ge)來(lai)估(gu)算(suan)電(dian)池(chi)測(ce)量(liang)電(dian)路(lu)的(de)精(jing)度(du)。其(qi)他(ta)現(xian)實(shi)世(shi)界(jie)的(de)效(xiao)應(ying)通(tong)常(chang)會(hui)在(zai)測(ce)量(liang)誤(wu)差(cha)中(zhong)占(zhan)主(zhu)導(dao)地(di)位(wei)。影(ying)響(xiang)測(ce)量(liang)精(jing)度(du)的(de)因(yin)素(su)包(bao)括(kuo)：

●    初始容差

●    溫度漂移

●    長期漂移

●    濕度

●    PCB裝配應力

●    噪音抑製

完善的技術必須考慮所有這些因素，才能提供非常出色的性能。IC的測量精度主要受基準電壓的限製。基準電壓對機械應力很敏感。PCB焊han接jie期qi間jian的de熱re循xun環huan會hui產chan生sheng矽gui應ying力li。濕shi度du是shi產chan生sheng矽gui應ying力li的de另ling一yi個ge原yuan因yin
，因yin為wei封feng裝zhuang會hui吸xi收shou水shui分fen。矽gui應ying力li會hui隨sui著zhe時shi間jian的de推tui移yi而er鬆song弛chi
，從cong而er導dao致zhi基ji準zhun電dian壓ya的de長chang期qi漂piao移yi。

電池測量IC使用帶隙基準電壓或齊納基準電壓。IC設計人員使用反向擊穿時的NPN發射極-基ji極ji結jie作zuo為wei齊qi納na二er極ji管guan基ji準zhun電dian壓ya源yuan。擊ji穿chuan發fa生sheng在zai芯xin片pian表biao麵mian
，因yin為wei汙wu染ran物wu和he氧yang化hua層ceng電dian荷he在zai此ci處chu效xiao應ying較jiao為wei明ming顯xian。這zhe些xie結jie噪zao聲sheng高gao，存cun在zai不bu可ke預yu測ce的de短duan期qi和he長chang期qi漂piao移yi。埋mai入ru式shi齊qi納na二er極ji管guan將jiang結jie放fang置zhi在zai矽gui表biao麵mian下xia方fang，遠yuan離li汙wu染ran物wu和he氧yang化hua層ceng的de影ying響xiang。其qi結jie果guo是shi齊qi納na二er極ji管guan具ju有you出chu色se的de長chang期qi穩wen定ding性xing、低噪聲和相對精確的初始容差。因此，齊納二極管基準電壓源在減輕隨時間變化的現實世界的效應方麵表現出眾。

LTC68xx係列使用了實驗室級的齊納二極管基準電壓源，這是ADI經過30多年不斷完善的技術。圖6顯示了五個典型單元的電池測量IC誤差隨溫度的漂移。在整個汽車級溫度範圍-40°C至+125°C內

，漂移都小於1 mV。

圖6. LTC6811測量誤差與溫度的關係。

圖7對比了帶隙基準電壓源IC和埋入式齊納二極管基準電壓源IC的長期漂移。初始測量值的誤差校準為0 mV。通過在30°C下3000小時之後的漂移來預測十年的測量漂移。該圖片清楚地顯示了隨著時間的推移，齊納二極管基準電壓源具有更出色的穩 定性，至少比帶隙基準電壓源提高5倍。類似的濕度和PCB裝配應力測試表明，埋入式齊納二極管的性能比帶隙基準電壓源更勝一籌。

圖7. 埋入式齊納二極管和帶隙基準電壓源之間的長期漂移比較。

精度的另一個限製因素是噪聲。由於電動汽車/混合動力汽車中的電機、功率逆變器
、DC-DC轉換器和其他大電流開關係統會產生電磁幹擾，因此汽車電池是麵向電子器件非常惡劣的環境。BMS需xu要yao能neng夠gou提ti供gong高gao水shui平ping的de噪zao聲sheng抑yi製zhi，才cai能neng保bao持chi精jing度du。濾lv波bo是shi用yong來lai減jian少shao無wu用yong噪zao聲sheng的de經jing典dian方fang法fa

，但dan它ta需xu要yao在zai降jiang低di噪zao聲sheng與yu轉zhuan換huan速su度du之zhi間jian進jin行xing權quan衡heng。由you於yu需xu要yao轉zhuan換huan和he傳chuan輸shu的de電dian池chi電dian壓ya很hen高gao，因yin此ci轉zhuan換huan時shi間jian不bu能neng太tai長chang。SAR轉換器或許是理想選擇，但在多路複用係統中，速度受到多路複用信號的建立時間限製。此時，∑-∆轉換器則成為有效的替代方案。

ADI的測量IC采用了∑-∆模數轉換器(ADC)。通過∑-∆ ADC，可在轉換過程中輸入進行多次采樣，然後取其平均值。結果構成內置 低通濾波
，從而可消除作為測量誤差源的噪聲
；截止頻率由采樣速率確定。LTC6811采用了一個三階∑-∆ADC，具有可編程采樣速率和八個可選截止頻率。圖8顯示了八個可編程截止頻率的濾波器響應。通過對所有12節電池在290 µs的時間內快速完成測量，可實現出色的降噪效果。大電流注入測試將100 mA的 RF噪聲耦合到連接電池與IC的導線中
，該測試顯示測量誤差小於3 mV。

圖8. ADC濾波器的可編程範圍和頻率響應。

電池平衡以優化電池容量

即使能精確地製造和選擇電池，它們之間也會顯示出細微的差異。電池之間任何的容量不匹配都會導致電池組整體容量的減少。

為了更好地理解這一點，我們來考慮一個示例，其中各節電池保持在滿容量的10%到90%之間。深度放電或過度充電會大大縮短電池的有效使用壽命。因此，BMS提供欠壓保護(UVP)和過壓保護(OVP)電路

，以幫助防止出現這些情況。當容量最低的電池達到OVP閾yu值zhi時shi
，將jiang停ting止zhi充chong電dian過guo程cheng。在zai這zhe種zhong情qing況kuang下xia，其qi他ta電dian池chi尚shang未wei充chong滿man電dian

，並bing且qie電dian池chi儲chu能neng沒mei有you達da到dao最zui大da允yun許xu的de容rong量liang。同tong樣yang
，當dang最zui低di充chong電dian量liang的de電dian池chi達da到daoUVP限值時，係統停止工作。另外，電池組中仍然有能量可為係統供電，但是出於安全原因
，不能繼續使用電池組。

顯然，電池組中最弱的電池支配著整個電池組的性能。電池平衡是一種通過在電池充滿電時均衡電池之間的電壓和SOC來幫助克服此問題的技術。5 電池平衡技術有兩種：被動和主動。

shiyongbeidongpinghengshi
，ruguoyijiedianchiguoduchongdian，jiuhuijiangduoyudedianhehaosandaodianzuzhong。tongchang
，caiyongyigefenliudianlu，gaidianluyoudianzuheyongzuokaiguandegonglvMOSFET組成。當電池過度充電時，MOSFET關斷，將多餘的能量耗散到電阻中。LTC6811使用一個內置MOSFET來控製各節電池的充電電流
，從而平衡被監視的每節電池。內置MOSFET可使設計緊湊，並能夠滿足60 mA的電流要求。對於更高的充電電流，可以使用外部MOSFET。該器件還提供了定時器來調整平衡時間。

haosanjishudeyoudianshidichengbenhedifuzadu。quedianshinengliangsunhaodabingqiereshejigengfuza。erlingyifangmian，zhudongpinghenghuizaimokuaideqitadianchizhijianzhongxinfenpeiduoyudenengliang。zheyang，keyihuishounengliangbingqiechanshengderelianggengdi。zhezhongjishudequedianshiyingjianshejigengfuza。

圖9顯示了采用 LT8584實shi現xian的de主zhu動dong平ping衡heng。該gai架jia構gou通tong過guo主zhu動dong分fen流liu充chong電dian電dian流liu，並bing將jiang能neng量liang返fan回hui電dian池chi組zu來lai解jie決jue被bei動dong分fen流liu平ping衡heng器qi存cun在zai的de問wen題ti。能neng量liang並bing沒mei有you以yi熱re量liang的de形xing式shi發fa生sheng損sun耗hao，而er是shi被bei重zhong新xin利li用yong，為wei電dian池chi組zu中zhong的de其qi餘yu電dian池chi充chong電dian。該gai器qi件jian的de架jia構gou還hai解jie決jue了le一yi個ge問wen題ti，即ji當dang電dian池chi組zu中zhong的de一yi節jie或huo多duo節jie電dian池chi在zai整zheng個ge電dian池chi組zu容rong量liang用yong盡jin之zhi前qian就jiu達da到dao較jiao低di安an全quan電dian壓ya閾yu值zhi時shi，會hui造zao成cheng運yun行xing時shi間jian減jian少shao。隻zhi有you主zhu動dong平ping衡heng才cai能neng將jiang電dian荷he從cong強qiang電dian池chi重zhong新xin分fen配pei到dao弱ruo電dian池chi。這zhe樣yang可ke以yi使shi弱ruo電dian池chi繼ji續xu為wei負fu載zai供gong電dian，從cong而er可ke從cong電dian池chi組zu中zhong提ti取qu更geng高gao百bai分fen比bi的de能neng量liang。反fan激ji式shi拓tuo撲pu結jie構gou允yun許xu電dian荷he在zai電dian池chi組zu內nei任ren意yi兩liang點dian之zhi間jian往wang返fan。大da多duo數shu應ying用yong將jiang電dian荷he返fan回hui到dao電dian池chi模mo塊kuai（12節或更多），其他一些應用則將電荷返回到整個電池組，還有些應用將電荷返回到輔助電源軌。

圖9. 采用主動平衡的12節電池的電池組模塊。

結論

低排放車輛的關鍵是電氣化
，但還需要對能源（鋰離子電池）jinxingzhinengguanli。ruguoguanlibudang，dianchizukenenghuibiandebukekao，congerdadajiangdiqichedeanquanxing。gaojingduyouzhuyutigaodianchidexingnengheshiyongshouming。zhudonghebeidongdianchipinghengkeshixiananquangaoxiaodedianchiguanli。fenbushidianchimokuaiyiyuzhichi，bingqiejiangshujuwendingdichuandidaoBMS控製器（無論是有線方式還是無線方式）能夠實現可靠的SOC和SOH計算。

參考電路

1 Greg Zimmer. ““無線電池管理係統突顯行業提高可靠性的驅動力”。” 淩力爾特
，2017年2月。

2 “無線BMS概念車。” Lion Smart，2017年6月。

3 Michael Kultgen 和 Jon Munson，“電池堆棧監控器延長混合動 力汽車中鋰離子電池的使用壽命。” LT雜誌, 第19卷第1期，2009年3月。

4 Mike Kultgen 和 Greg Zimmer
， “在儲能電池管理係統中較大限度地提高電池監控精度和數據完整性。” ADI公司，2019年。

5 Stephen W. Moore 和 Peter J. Schneider， ““鋰離子和鋰聚合物電池係統的電池均衡方法綜述

，” SAE 2001年世界大會，2001年3月。

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