滿足功能安全要求的電池管理系統

在環保意識越來越高的現在，汽車工業正在發生變化。如今只能依靠內燃機完成的任務，未來將實現通過混合動力、電動甚至燃料電池驅動的車輛來處理。過去，許多廠商重視傳統內燃機和傳動系統必要的機械部件，而今後，關注點將轉向其它組件。他們可能開發新型固態電池，以增加續航里程以及充放電次數，這是當前鋰電池無法達到的，也可能著重開發高性能充電器、DC/DC 轉換器和電機。

作為核心組件，電池管理系統 (BMS) 負責電池的正確管理和監測。目前，電動汽車採用鋰離子電池。這些電池連接在一起使電池組達到所需總電壓。現有單體電池電壓約為 3.6V 至 3.7V，動力電池 520V或 900V 高壓系統需要約 140 至 250 節電池。這種配置中，必須監測電池的溫度、阻抗（電池內阻）、電壓以及充放電電流。




BMS 一般包括單體電池管理控制器 (CMC)、主控中央單元或電池管理控制器 (BMC) 等組件。其中，CMC 採用多通道 IC（當前最多配置 16 通道）執行監測功能，BMC 控制每個 CMC（圖1）。


圖1：高級汽車架構電池管理系統結構示意圖及接口說明




01 溫度監測
通常，NTC 熱敏電阻緊貼電池或模塊壁，或電氣接點連接測量其溫度。隨著熱敏電阻溫度上升，阻值下降，靈敏度提高（由於電阻負溫度係數大）。溫度可使用晶片集成的模/數轉換器 (ADC)，通過測量電阻-熱敏電阻網絡電壓來確定。準確的溫度讀數對於電池的正常功能和系統的安全極為重要。NTC 和測量電路電阻關係到溫度測量精度。

圖2：LTspice XVII 模擬晶片或 ADC 輸入電阻/熱敏電阻分壓電橋電壓，用於電池溫度檢測

圖2中，NTC 可以是 NTCS0603E3103FLT 單片陶瓷 NTC 表面貼裝熱敏電阻（如圖3所示），R25 值為 10kΩ，± 1%，B 值為 3435K，± 1%。該器件機械抗彎強度優於安裝 在諸如柔性 PCB (FPC) 上的某些多層結構競品器件。



圖3 ：NTC 參考設計、技術性能對比以及 NTCAFLEX05 系列柔性箔傳感器參考設計

這種熱敏電阻還具有較高的熱循環耐受能力，高溫下阻值漂移較低。NTC 熱敏電阻可放在 TNPW / TNPU 系列固定電阻網絡中—TNPW/TNPU 系列電阻具有超精密公差，電阻熱係數低至 ± 0.1%，± 25 ppm/℃，或者放在可支持 ± 0.05% 相對公差和 0.1% 絕對公差的 ACAS 網絡電阻中（圖4）。控制晶片對 NTC 熱敏電阻 (Vntc) 產生的電壓進行採樣，並檢測高低閾值。



02 阻抗監測
不用進行全面阻抗測量。這種測量方法的優點是可以更準確地估計荷電狀態 (SOC) 和健康狀態 (SOH)。簡單來說，測量使用的方法是施加不同頻率的交流電。然後，像電流一樣，使用基於軟體的模型轉換並解析複雜的電壓。

03 單體電池電壓監測
單體電池電壓一般使用晶片集成的 ADC 測量。這種方法採用多路復用器依次測量各個電池的電壓，將其轉換為 ADC 數字信號。然後對這些數字信號進行評估。

04 電流監測

電流（充電或放電電流）不是逐個電池測量，而是對電池組進行測量。這種測量方法的背景是，電池組通過中央充電器“充滿”，可通過集成充電器（車載充電器，簡稱 OBC）交流充電，也可採用外置充電器直流充電。由於電池是串聯的，所有電池的電流一樣，因此，系統電流只需測量一次。測量時可使用霍爾效應電流傳感器或低阻值分流電阻器。




BMS 的另一項核心任務是平衡每塊電池。生產過程中，每塊電池的容量和內阻因加工工藝不同會產生偏差。因此，電池組充電或放電不均勻。為了充分使用電池的全部能量（續航能力），需要平衡每塊電池的容量和電壓。電荷平衡的基本原理有兩種：主動均衡和被動均衡。
 
01 主動均衡
主動均衡時，電池多餘能量在場效應電晶體的開通時通過電路轉移到線圈中。在關斷時，線圈中的能量通過二極體傳送到下一塊電池。這種方法持續進行，直到所有電池達到滿充電電壓（圖5）。


圖5：主動均衡示意圖

02 被動均衡


圖6 ：被動均衡示意圖

Vishay 提供了顯著不同的方法。與傳統厚膜電阻器相比，雙塗層 CRCW-HP 電阻器和經過特殊修整的 RCS 電阻器在相同占位面積下，連續功率可提高兩倍至三倍。另外，在功率要求相同的情況下，使用這些系列電阻可減少所需印刷電路板空間，同時節省成本。另一種可以產生同樣效果的是 RCL系列電阻，這種寬端子電阻可提高連續功率，具有更好的熱循環性能。汽車工業要求 -55 °C至 +125 °C 溫度範圍內以及增加循環的情況下，組件與印刷電路板之間可靠焊接，這些條件構成選擇合適組件的另一個標準。由於主動均衡電路成本高，每塊電池內阻和電容製造公差較窄，汽車領域主要採用被動均衡。




01 功能安全 (ISO 26262, ASIL-D)
電池及其監測系統對於安全至關重要。因此，系統使用的組件以及整個系統本身必須根據 ISO 26262 進行開發，以滿足 ASIL-D 的要求。因此，具有電壓測量、溫度測量、電流測量（內阻測量除外）功能的 BMS 與安全氣囊系統、制動系統和助力轉向系統等具有同樣重要的意義。如果這些系統出現故障或存在缺陷，將直接危及生命和肢體安全。

02 冗餘獨立的測量方法最大限度降低風險
這種情況下，監測電池電壓是非常關鍵的參數之一，因為每塊電池過充電或深度放電會造成內部短路，導致電池下次充電時熱擊穿。

冗餘電池電壓測量可使用兩個電池晶片進行。這種方法的缺點是，電壓測量需使用相同的方法，同時，使用的解決方案成本高。

另一種解決方案是使用泄放均衡電阻以模擬方式測量電池電壓，將其與晶片的電池電壓測量結果進行比較。這是一種經濟高效的獨立測量方法。上述厚膜泄漏電阻不適於這種測量。相反，應使用薄膜電阻，因為即使在苛刻的使用條件下，薄膜電阻也能保證整個使用壽命周期精確的測量。

Vishay 同樣為此提供了多種選擇。首先是採用特殊薄膜技術生產的MC-HP系列電阻器。其優點是長期穩定（≤ 0.2 %; P70, 1000小時），性能是標準薄膜電阻器的兩倍。其次是採用薄膜技術的寬端子 MCW 系列電阻器（外形尺寸 0406 和 0612）。

該系列滿足長期穩定性 （≤ 0.2 %; P70, 1000小時）、連續功率空間比要求，幾乎相同的連續功率只需三分之一常規空間（圖7），提高了熱循環性能（3000 次循環）。憑藉這些特性，該系列電阻適合用作 BMS 的泄漏電阻，或電池電壓測量電阻，滿足 ASIL-D 未來整個系統的要求。

圖 7：高性能寬端子薄膜電阻熱力圖對比，所需空間是常規端子的三分之一

由於每個組件的性能、所需空間、估計的使用壽命和參數漂移的要求越來越高，安全規定越來越嚴格，如果對於整個系統設計沒有深入了解，就無法選擇組件，尤其是電動傳動系統組件。在這方面，Vishay 提供了許多極具差異化的產品和解決方案，有助於整個系統高效安全的設計。