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电池仓库监控器计划延迟电动汽车锂电池寿命

  锂离子(Li-Ion)电池是电动汽车和混淆动力汽车的常用储能方式。这些电池可供应的能量密度正在一起现有电池本领中詈骂常高的,然则借使要最大限造地擢升功能,必需行使电池监控编造(BMS)。前辈的BMS不光使您不妨从电池组中提取大宗的电荷,并且还能够以更安好的体例收拾充电和放电轮回,从而拉长行使寿命。ADI公司供应品种具备的BMS器件组合,静心于精度和端庄的运转。

  无误衡量电池的充电形态(SOC)能够拉长电池运转年华或减轻重量。稹密褂讪的器件正在PCB装置后无需工场校准。恒久褂讪性进步了安好性并可避免保修题目。自我诊断功用有帮于抵达符合的汽车安好完备性品级(ASIL)。电池组是充满电磁作梗(EMI)挑衅的情况,于是正在安排数据通讯链途时要实行十分管束,以确保衡量芯片与编造限造器之间端庄牢靠的通讯。电缆和连合器是变成电池编造打击的闭键情由,于是本文先容了无线处分计划。无线通讯安排进步了牢靠性并减轻了编造总重量,进而添补了每次充电的行驶里程。

  储能单位必需不妨供应大容量,而且能以可控体例开释能量。借使不行实行合适的限造,能量的存储和开释会导致电池灾难性打击,并最终惹起失火。电池恐怕会因为多种情由而产生打击,个中大大都与不妥行使相闭。打击恐怕来自板滞应力或损坏,以及以深度放电、过分充电、过电流和热过应力等地势出现出的电气过载。为了尽恐怕进步恶果和安好性,电池监控编造必弗成少。

  BMS的闭键功用是通过监控以下物理量使电池组中一起单节电池维系正在其安好事业区域(SOA)中:电池组充电和放电电流、单节电池电压以及电池组温度。基于这些数值,不光能够使电池安好运转,并且能够实行SOC和康健形态(SOH)估量。

  BMS供应的另一个主要功用是电池均衡。正在电池组中,能够将单节电池并联或串联安顿,以抵达所需的容量和事业电压(高达1 kV或更高)。电池修设商试图为电池组供应无别的电池,但这正在物理上并不实际。假使很幼的分歧也会导致分别的充电或放电电平,而电池组中最弱的电池会首要影响电池组的具体功能。无误的电池均衡是BMS的一项主要功用,它可确保电池编造以其最大容量安好运转。

  电动汽车电池由几节电池串联构成。一个范例的电池组(拥有96节串联电池)以4.2 V充电时会爆发逾越400 V的总电压。电池组中的电池节数越多,所抵达的电压就越高。一起电池的充电和放电电流都无别,然则必需对每节电池上的电压实行监控。为了容纳高功率汽车编造所需的大宗电池,凡是将多节电池分成几个模块,并分置于车辆的一共可用空间内。范例模块具有10到24节电池,能够采用分别设备实行装置以适合多个车辆平台。模块化安排可行动大型电池组的根源。它应允将电池组分置于更大的区域,从而更有用地操纵空间。

  ADI公司斥地了一系列电池监控器,不妨衡量多达18节串联连合的电池。AD7284能够衡量8节电池,LTC6811能够衡量12节电池,LTC6813则能够衡量18节电池。图1显示了一个范例的拥有96节电池的电池组,分为8个模块,每个模块12个电池单位。正在本示例中,电池监控器IC为可衡量12节电池的LTC6811。该IC拥有0 V至5 V的电池衡量规模,适合大大都电池化学运用。可将多个器件串联,以便同时监测很长的高压电池组。该器件席卷每节电池的被动均衡。数据正在隔断栅双方实行相易并由编造限造器编译,该限造器负担估量SOC、限造电池均衡、查验SOH,并使一共编造维系正在安好节造内。

  图1.采用LTC6811 12通道衡量IC、拥有96节电池的电池组架构。

  为了正在电动汽车/混淆动力汽车的高EMI情况中扶帮散布式模块化拓扑,稳键的通讯编造必弗成少。隔断CAN总线和ADI的isoSPI都供应了经由验证的处分计划,适合正在这种情况中实行模块互联。1尽量CAN总线为正在汽车运用中互联电池模块供应了圆满的汇集,但它须要很多附加元件。比如,通过LTC6811的isoSPI接口达成隔断CAN总线须要添补一个CAN收发器、一个微管束器和一个隔断器。CAN总线的闭键弱点是这些卓殊元件会添补本钱和电途板空间。图2显示了基于CAN的一种可行架构。正在这个示例中,一起模块都并联连合。

  ADI革新的双线式isoSPI接口是CAN总线isoSPI接口集成正在每个LTC6811中,行使一个纯洁的变压器和一根纯洁的双绞线,而非CAN总线所需的四线。isoSPI接供词应了一个抗噪接口(用于高电平RF信号),操纵该接口能够将模块通过长电缆以菊花链地势连合,并以高达1 Mbps的数据速度运转。图3显示了基于isoSPI并行使CAN模块行动网闭的架构。

  图2和图3所示的两种架构各有利弊。CAN模块是准则化模块,能够与其他CAN子编造共享统一总线运转;isoSPI接口是专有接口,只可与无别类型的器件实行通讯。另一方面,isoSPI模块不须要卓殊的收发器和MCU来管束软件客栈,从而使处分计划更紧凑、更易于行使。两种架构都须要有线连合,这正在摩登BMS中拥有分明的弱点,由于正在布线中,导线走线至分别的模块会成为一个棘手的题目,同时又添补了重量和杂乱性。导线也很容易汲取噪声,从而须要实行卓殊的滤波。

  无线BMS是一种新奇的架构,它歼灭了通讯布线正在无线BMS中,每个模块的互联都通过无线连合体例达成。大型多节电池的电池组无线连合的上风是:

  因为恶毒的EMI情况以及RF屏障金属组成的信号撒布波折,无线通讯成为一个困难。

  ADI的SmartMesh®嵌入式无线汇集正在工业物联网(IoT)运用中经由了现场验证,可通过使用途途和频率分集来达成冗余,从而正在工业、汽车和其他恶毒情况中供应牢靠性逾越99.999%的连合。

  除了通过创修多个冗余连合点来刷新牢靠性除表,无线Mesh汇集还扩展了BMS的功用。SmartMesh无线汇集可达成电池模块的机动安顿,并刷新了电池SOC和SOH的估量。这是由于能够从安设正在以前不适合布线之处的传感器搜集更多的数据。SmartMesh还供应了来自每个节点的年华闭连衡量结果,从而能够达成愈加无误的数据搜集。图4显示了有线互联和无线互联电池模块的对照。

  ADI演示了业界首款无线汽车BMS观点车,正在BMW i3.2车型中整合了LTC6811电池组监控器和ADI SmartMesh汇集本领。这是一项庞大冲破,希望进步电动汽车/混淆动力汽车大型多节电池组的牢靠性,并下降本钱、重量和布线.独立的CAN模块并联。

  精度是BMS的一个主要特色,看待LiFePO4电池至闭主要。3,4为明晰解该特色的主要性,咱们思虑图5中的示例。为了提防过分充电和放电,电池单位应维系正在满容量的10%到90%之间。正在85 kWh的电池中,可用于寻常行驶的容量仅为67.4 kWh。借使衡量偏差为5%,为了接连安好地实行电池运转,必需将电池容量维系正在15%至85%之间。总可用容量已从80%裁减到了70%。借使将精度进步到1%(看待LiFePO4电池,1 mV的衡量偏差相当于1%的SOC偏差),那么电池现正在能够正在满容量的11%到89%之间运转,添补了8%。行使无别的电池和精度更高的BMS,

  圆满的本领必需思虑一起这些身分,才气供应相当出多的功能。IC的衡量精度闭键受基准电压的节造。基准电压对板滞应力很敏锐。PCB焊接功夫的热轮回会爆发硅应力。湿度是爆发硅应力的另一个情由,由于封装会汲取水分。硅应力会跟着年华的推移而随便,从而导致基准电压的恒久漂移。

  电池衡量IC行使带隙基准电压或齐纳基准电压。IC安排职员行使反向击穿时的NPN发射极-基极结行动齐纳二极管基准电压源。击穿产生正在芯片表表,由于污染物和氧化层电荷正在此处效应最为分明。这些结噪声高,存正在弗成预测的短期和恒久漂移。埋入式齐纳二极管将结安顿正在硅表表下方,远离污染物和氧化层的影响。其结果是齐纳二极管拥有出多的恒久褂讪性、低噪声和相对无误的初始容差。齐纳二极管基准电压源正在减轻随年华转变的实际全国的效应方面出现超群。

  图7对照了带隙基准电压源IC和埋入式齐纳二极管基准电压源IC的恒久漂移。初始衡量值的偏差校准为0 mV。通过正在30C下3000幼时之后的漂移来预测十年的衡量漂移。该图片领会地显示了跟着年华的推移,齐纳二极管基准电压源拥有更出多的褂讪性,起码比带隙基准电压源进步5倍。相像的湿度和PCB装置应力测试表白,埋入式齐纳二极管的功能比带隙基准电压源更胜一筹。

  精度的另一个节造身分是噪声。因为电动汽车/混淆动力汽车中的电机、功率逆变器、DC-DC转换器和其他大电流开闭编造会爆发电磁作梗,于是汽车电池是面向电子器件相当恶毒的情况。BMS须要不妨供应高水准的噪声克造,才气维系精度。滤波是用来裁减无用噪声的经典方式,但它须要正在下降噪声与转换速率之间实行量度。因为须要转换和传输的电池电压很高,于是转换年华不行太长。SAR转换器可能是理思抉择,但正在多途复用编造中,速率受到多途复用信号简直立年华节造。此时,-转换器则成为有用的代替计划。

  ADI的衡量IC采用了-模数转换器(ADC)。通过- ADC,可正在转换历程中输入实行多次采样,然后取其均匀值。结果组成内置低通滤波,从而可歼灭行动衡量偏差源的噪声;截止频率由采样速度确定。LTC6811采用了一个三阶-ADC,拥有可编程采样速度和八个可选截止频率。图8显示了八个可编程截止频率的滤波器反响。通过对一起12节电池正在290 s的年华内迅疾结束衡量,可达成出多的降噪成效。大电流注入测试将100 mA的RF噪声耦合到连合电池与IC的导线中,该测试显示衡量偏差幼于3 mV。

  为了更好地剖判这一点,咱们来思虑一个示例,个中各节电池维系正在满容量的10%到90%之间。深度放电或过分充电会大大缩短电池的有用行使寿命。于是,BMS供应欠压维护(UVP)和过压维护(OVP)电途,以帮帮提防呈现这些情形。当容量最低的电池抵达OVP阈值时,将撒手充电历程。正在这种情形下,其他电池尚未充满电,而且电池储能没有抵达最大应允的容量。同样,当最低充电量的电池抵达UVP限值时,编造撒手事业。别的,电池组中依旧有能量可为编造供电,然则出于安好情由,不行接连行使电池组。

  行使被动均衡时,借使一节电池过分充电,就会将多余的电荷耗散到电阻中。凡是,采用一个分流电途,该电途由电阻和用作开闭的功率MOSFET构成。当电池过分充电时,MOSFET闭断,将多余的能量耗散到电阻中。LTC6811行使一个内置MOSFET来限造各节电池的充电电流,从而均衡被看守的每节电池。内置MOSFET可使安排紧凑,并不妨餍足60 mA的电流央求。看待更高的充电电流,能够行使表部MOSFET。该器件还供应了准时器来调理均衡年华。

  图9显示了采用LT8584达成的主动均衡。该架构通过主动分流充电电流,并将能量返回电池组来处分被动分流均衡器存正在的题目。能量并没有以热量的地势产生损耗,而是被从新操纵,为电池组中的其余电池充电。该器件的架构还处分了一个题目,即当电池组中的一节或多节电池正在一共电池组容量用尽之前就抵达较低安好电压阈值时,会变成运转年华裁减。唯有主动均衡才气将电荷从强电池从新分派到弱电池。如此能够使弱电池接连为负载供电,从而可从电池组中提取更高百分比的能量。反激式拓扑布局应允电荷正在电池组内放肆两点之间往返。大大都运用将电荷返回到电池模块(12节或更多),其他少许运用则将电荷返回到一共电池组,再有些运用将电荷返回到辅帮电源轨。

  低排放车辆的要害是电气化,但还须要对能源(锂离子电池)实行智能收拾。借使收拾不妥,电池组恐怕会变得不牢靠,从而大大下降汽车的安好性。高精度有帮于进步电池的功能和行使寿命。主动和被动电池均衡可达成安好高效的电池收拾。散布式电池模块易于扶帮,而且将数据褂讪地通报到BMS限造器(无论是有线体例依旧无线体例)不妨达成牢靠的SOC和SOH估量。

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