电池监测器优化电动车电池性能

BMS可以提高电动汽车电池的运营效率

先进的电池管理系统（BMS）可以帮助电动汽车在运行过程中高效地从电池组中提取大量电量。它能够精确测量电池的充电状态（SOC），从而延长电池的运行时间或减少重量，并通过避免深度放电、过充、电流过载和热过载等电气问题来增强电池的安全性。   BMS的主要功能是在电池运行期间监控其物理参数，确保电池组内的每个单体电池都处于安全运行区域（SOA）内。它监测充电和放电电流、每个单体电池的电压及整个电池组的温度。基于这些数据，BMS不仅能够确保电池的安全运行，还可以支持充电状态（SOC）和健康状态（SOH）的计算。   BMS提供的另一个重要功能是单体电池的均衡。在电池组中，单体电池可能被并联或串联连接，以实现所需的容量和工作电压（可达1千伏或更高）。虽然电池制造商努力为电池组提供完全一致的单体电池，但实现绝对一致性在物理上并不现实。即使是微小的差异也会导致充电或放电水平的变化，而电池组中最弱的单体电池会显著影响整体性能。精准的单体电池均衡是BMS的一项重要功能，确保电池系统在最大容量下安全运行。

无线电池管理系统（BMS）取消了通信线缆，降低了复杂性

电动车电池由多个串联的电芯组成。一个典型的电池组包含96个串联的电芯，当每个电芯充电至4.2伏时，整个电池组会产生超过400伏的电压。电池组中的电芯数量越多，产生的电压就越高。尽管所有电芯的充放电电流相同，但有必要监控每个电芯的电压。   为了适应高功率汽车系统所需的大量电池，多个电池通常被分成几个模块并分布在整个车辆的可用空间内。一个典型的模块包含10到24个电芯，并可以根据不同的车辆平台要求以多种配置组装。模块化设计为大型电池组提供了基础，使电池组可以分布在更大范围内，从而更有效地优化空间利用率。   为了在电动/混合动力车辆的高电磁干扰（EMI）环境中支持分布式模块化拓扑结构，强大的通信系统至关重要。隔离式CAN总线适合在这种环境中连接模块。虽然CAN总线为在汽车应用中互联电池模块提供了完备的网络，但其需要许多额外的组件，导致成本增加并占用电路板空间。此外，如果现代电池管理系统（BMS）采用有线连接，则会带来显著的不利因素。布线成为一个挑战的问题，因为需要将线缆布置到不同的模块，这会增加重量和复杂性。同时，线缆容易受到噪声干扰，需要额外进行过滤处理。   无线电池管理系统（BMS）是一种革新性的架构，能够省去通讯布线的需求。在无线BMS中，各模块之间通过无线连接实现互联。在拥有多个电芯的大型电池组中，无线连接减少布线复杂性、降低重量、降低成本，并提升安全性和可靠性。然而，在严苛的EMI环境中以及由RF屏蔽金属组件造成的信号传播障碍情况下，无线通信也面临一定的挑战。

嵌入式无线网络可以提高可靠性和精确性

由ADI推出的SmartMesh®嵌入式无线网络已在工业物联网(IoT)应用中通过现场验证。通过路径与频率多样性实现冗余，该网络在工业及汽车等复杂环境中提供的连接可靠性超过99.999%。   无线网状网络不仅通过创建多个冗余连接点提升了可靠性，还扩展了BMS的功能。SmartMesh无线网络使电池模块的灵活放置成为可能，并改进了电池SOC和SOH的计算。这是通过从以前不适合布线的位置安装的传感器中收集更多数据实现的。SmartMesh还提供来自每个节点的时间关联测量结果，支持更精确的数据采集。   ADI已将LTC6811电池堆栈监测器与ADI SmartMesh网络技术集成，这代表了一个重要的突破。这一集成有望提高电动和混合动力汽车中大型多电池组的可靠性，同时降低成本、重量和布线复杂性。   LTC6811是一款为多电池应用设计的电池堆栈监测器。它可以测量多达12个串联电池的电压，总测量误差小于1.2mV。所有12个电池的测量可以在290μs内完成，并且可以选择较低的数据采集速率以提高抗噪能力。LTC6811的电池测量范围为0V至5V，适用于大多数电池化学应用。多个设备可以以菊花链方式连接，从而同时监测超长高压电池堆。该设备为每个电池单元提供被动平衡，数据通过隔离屏障的任一侧进行交换，并由系统控制器汇总。控制器负责计算SOC、控制电池平衡、检查SOH并确保整个系统保持在安全范围内。   此外，多台LTC6811设备可以菊花链连接，从而实现对超长高压电池堆的同步监测。每个LTC6811都有一个用于高速且抗射频干扰远程通信的isoSPI接口。使用LTC6811-1时，多个设备以菊花链连接，所有设备共享一个主处理器连接。使用LTC6811-2时，多台设备平行连接到主处理器，并且每个设备都有单独的地址。   LTC6811可以直接由电池组或隔离电源供电，并为每个电池单元提供被动平衡，同时具有每个电池独立PWM占空比控制的功能。其他功能包括内置5V稳压器、5个通用输入/输出线和休眠模式(此模式下电流消耗降低至4μA)。

电池均衡用于优化电池容量和性能

电芯均衡对电池性能有显著影响，因为即便在精确制造和选型的情况下，电芯之间也可能出现细微的差异。电芯之间的容量不匹配会导致电池组整体容量的下降。显然，电池组中最弱的那块电芯将决定整个电池组的性能。电芯均衡是一种帮助解决这一问题的技术，通过在电池完全充电时平衡电芯之间的电压和状态(SOC)。   电芯均衡技术可以分为被动均衡和主动均衡两种类型。在使用被动均衡时，如果某个电芯过充，过量的电荷会通过电阻耗散掉。通常，采用一个分流电路，这个电路由电阻和用作开关的功率MOSFET组成。当某个电芯过充时，MOSFET闭合，将多余能量耗散到电阻中。LTC6811使用内置的MOSFET来控制每个监测电芯的充电电流，从而对被监测的每个电芯进行均衡。集成的MOSFET允许紧凑型设计，并能满足60 mA的电流需求。对于更高的充电电流，可以使用外部MOSFET。该设备还提供一个定时器，用于调节均衡时间。   另一方面，主动均衡涉及将多余的能量重新分配到模块中的其他电芯。这种方法允许能量回收并降低热量产生，但缺点是需要更复杂的硬件设计。   ADI引入了一种使用LT8584的架构，以实现电池的主动均衡。该架构主动分流充电电流，并将能量返回到电池组中，从而解决了被动分流均衡器相关的问题。能量不会以热量的形式耗散，而是被重复利用来对电池组中的剩余电池进行充电。该设备的架构还解决了一个问题，即电池组中的一个或多个电芯在整组的容量耗尽之前达到低安全电压阈值，导致运行时间缩短。只有主动均衡才能将电荷从较强的电芯重新分配到较弱的电芯，使得较弱的电芯能够继续为负载供电，从而从电池组中提取更高百分比的能量。返驰式拓扑结构使电荷可以在电池组中的任意两点间往返流动。在大多数应用中，电荷返回到电池模块（12节电池或更多），而在其他应用中，电荷返回到整个电池组或辅助供电轨。   LT8584是一款专为高压电池组的主动均衡设计的集成功率返驰DC/DC转换器。开关模式调节器的高效率显著提高了可实现的均衡电流，同时减少了热量的产生。此外，主动均衡允许不匹配电池组的容量回收，这一功能是被动均衡系统无法实现的。在典型系统中，可以实现总电池容量的99%以上。   LT8584集成了一个6A、50V功率开关，降低了应用电路的设计复杂性。该设备完全依赖于其所放电的电芯运行，无需复杂的偏置方案，而偏置方案通常是使用外部功率开关所需的。启用引脚（DIN）被设计为可以与LTC680x系列电池堆监测IC无缝配合使用。此外，当与LTC680x系列设备结合使用时，LT8584提供系统遥测功能，包括电流和温度监控。在禁用状态下，LT8584通常从电池中消耗不到20nA的静态电流。

结论

低排放车辆的关键在于电气化，但同时也需要对能源（如锂离子电池）进行智能管理。不当的管理可能会导致电池组变得不可靠，大幅降低车辆的安全性。主动和被动电池平衡都对电池的安全和高效管理至关重要。分布式电池模块易于支持，无论通过有线还是无线方式，它们都能可靠地将数据传输至BMS控制器，从而实现可靠的SOC和SOH计算。ADI提供全面的BMS组件系列，可以帮助客户加速BMS开发，确保更高效地管理电动汽车电池的运行效率和安全性。