第2章 BMS參數測量與控制策略

2.1 電池關鍵參數的測量

鋰離子電池作為新型清潔、可再生的二次能源，需精確監測其電流、電壓及溫度等參數，并做好相應的保護電路。對于手持設備而言，更需要追求高精度、低功耗，從而降低對鋰離子電池的“過度”使用，延長其使用壽命。對鋰離子電池組的電壓、電流的準確測量，是BMS中的關鍵技術問題。電池是新能源汽車的能量之源，其性能和使用壽命是用戶關注的焦點，電池性能和電池的電壓及溫度密切相關。在提倡節能減排的時代背景下，新能源的研究正成為公眾關注的焦點，以電為動力的新能源汽車就是研究的熱點之一。電池組是新能源汽車的能量之源，為確保電池組性能良好，并延長其使用壽命，需要對電池組進行管理和控制，其前提是必須準確而又可靠地獲得電池現存的容量參數。電池的電壓和溫度是與電池容量密切相關的兩個參數，因此精確采集單體電池電壓及溫度是十分重要的。需要測量電池組、電池或獨立單體電池溫度。

鋰離子單體電池在外界處于某個特定的溫度范圍時不能放電，也會在另一個更窄的溫度范圍內不能充電。這使得在移動式應用等某些溫度不可控的應用場景下，需要監測溫度：

1）當由于內部問題（單體已壞或正被濫用）或外部問題（電源連接不佳，本地熱源）導致單體電池變熱時，應該對系統發出警告信號，而不是任其發生嚴重故障。

2）在分布式BMS內，在各個子模塊的集成電路板處添加傳感器比較簡單。不僅可以測量單體電池溫度，還可以檢測均衡負載是否在工作。

3）數字BMS對溫度可以監測或不監測，而模擬BMS卻不能如此，即使測量，也是在電池級。分布式BMS可以測量每個單體電池的溫度；非分布式BMS只是測量電池或電池模塊溫度。

4）如果BMS只有一只或少量傳感探頭，這些探頭應該布置于電池或電池模塊的特定位置，比如最易升溫或最易降溫的位置。

2.1.1 電壓

串聯電池組單體電池電壓的測量方法有很多，比較常見的有機械繼電器隔離法、差分放大器隔離法、電壓分壓隔離法、光電繼電器隔離法等。機械繼電器隔離法可直接測量每個單體電壓，但是機械繼電器使用壽命有限、動作速度慢，在長期快速巡檢過程中不宜使用。差分放大器隔離法的測量誤差基本上由隔離放大器的誤差所決定，但是由于每路的測量成本比較高，所以在經濟性上略顯不足。電壓分壓隔離法的響應速度快、測量成本低，但是其缺點是不能很好地調節分壓比例，測量精度也不能令人滿意。光電繼電器隔離法的響應速度快、工作壽命長，測量的成本相對較低，開關無觸點，能夠起到電壓隔離的作用，若選用的光電繼電器采取PhotoMOS技術，則能達到較高的測量精度。因此，光電繼電器隔離法是比較理想的單體電池電壓測量方法。

光電繼電器的通斷控制策略，是光電繼電器隔離法要解決的重要問題。常用的光電繼電器的通斷控制方法有I/O直接控制、譯碼器控制、模擬開關控制等。I/O直接控制的方法簡單、容易實現，但是需要占用大量的I/O資源。譯碼器控制和模擬開關控制的思想類似，即用少數量的I/O去控制多數量的光電繼電器，這兩種方法減少了I/O口的占用。采用I/O直接控制、譯碼器控制和模擬開關控制，都需要將通斷控制電路、A-D轉換電路及處理器設計在同一個模塊（即采樣模塊）上，這樣的話，單體電池的兩個電極就需引線到采樣模塊上，對整個電池組來講，就會有大量的導線連到采樣模塊，造成安裝的煩瑣和電氣走線的復雜性。對單體電池電壓的測量，應著重解決三個問題：使用現場與測量系統的電氣隔離、降低成本和簡化設計方案、提高系統精度。I/O直接控制、譯碼器控制和模擬開關控制這三種光電繼電器的通斷控制方法在設計的簡潔性方面就顯得不足。

基于光電繼電器隔離法設計BMS，單體電池電壓的測量可采用分時測量的方法。串聯電池組中各個電池的兩端通過光電繼電器隔離，然后統一連接到檢測總線上。按照一定的時間策略控制光電繼電器的通斷，可控制單體電池在不同的時間段單獨將電壓施加在檢測總線上，從而實現單體電池電壓的分時檢測。該方法的巡檢周期短、測量精度高。但是，控制光電繼電器的通斷需要占用大量的I/O資源，這就限制了BMS可管理電池的數量。同時在BMS的實際安裝中，由于電池兩端需要引線到采集模塊，所以就會有比較多的走線，導致BMS安裝不方便及新能源汽車電氣走線的復雜性。為了改善以上不足，可以使用新型的光電繼電器控制策略。

2.1.2 溫度

電池溫度對電池的容量、電壓、內阻、充放電效率、使用壽命、安全性和電池一致性等方面都有較大的影響，所以電池在使用中必須進行溫度監測。

目前單體電池溫度的測量，一般采用熱敏電阻作為溫度傳感器，采用分壓法由A-D采樣讀取熱敏電阻的端電壓，根據電阻和溫度之間的關系計算出溫度值。將熱敏電阻安裝在每個電池上，分時接到A-D采樣電路上進行溫度采樣，實現單體電池溫度的巡檢。采用熱敏電阻測量溫度，其測量精度為1℃，誤差較大。同時，有時由于制造工藝原因，熱敏電阻個體的溫度特性存在差異，由此造成溫度測量校準的困難。進行多點溫度巡檢時，同樣要解決分時通道選通問題，需要考慮設計的簡潔性。

基于移位寄存器的控制通道選通思想，可采用數字溫度傳感器進行同時啟動分時讀取數據的多點溫度采樣方法。采用該方法，采樣精度較高、采樣速度快、安裝簡潔方便。電池溫度的測量也可以采用DALLAS公司的DS18B20溫度傳感器，該傳感器采用單總線技術，測溫范圍-55～125℃，全數字溫度轉換及輸出，支持多點方式組網，進而實現多點溫度采樣。

2.1.3 電流

通過在鋰離子電池供電環路引入靈敏電阻對電流進行采樣，并控制差分運算放大器和高速比較器的通斷，實現從模擬信號到數字信號的轉換。在處理器中進行精確電流量的運算，能對過電流、短路電流進行保護，也能用于精確地計算電池阻抗、電量等相關參數。電路基于0.18μm CMOS工藝，電源電壓為2.5V，能夠在-40～125℃應用環境溫度范圍內實現對電流的采樣和編碼功能，并且能對充放電動作進行判斷。在鋰離子電池供電環路中引入靈敏電阻對電流進行監測，給系統提供充放電提示，同時可用于電量計算以及保護控制。模-數轉換器（ADC）由采樣、量化和編碼構成。鋰離子電池電流監測系統框圖如圖2-1所示。

圖中，電容和AMP放大器組成開關電容采樣電路，COMP高速比較器對數據進行量化，處理器對電路進行數字邏輯控制及編碼。偏置電路提供AMP放大器自啟動支路并產生V_be1和V_be4。時鐘模塊控制系統開關，包括S₁、S₂、S₅、S₆、S₃₈。處理器輸出數字信號Logic Control，改變量化電容。