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高性能测量系统在嘈杂环境中改善EV/HEV电池健康状况
 

【作者: Ivo Marocco】2020年09月09日 星期三

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电池是否可靠对於现今主要会采用电池的电动汽车与混合动力车(EV/HEV)十分重要。为了提升可靠性,必须提高这些车辆中电池单元测量的准确度。而为获得更高的测量准确度,必须处理干扰数据采集以及将其传输到主处理器的高杂讯级别。同时,高准确度地测量电池电压、温度和电流还远远不够,更需要实现同步化。



图1 : 电池单元监测、电源和电动汽车的范例
图1 : 电池单元监测、电源和电动汽车的范例

电动汽车与混合动力汽车中的杂讯源具有不同频率和振幅,因此如何在不影响其对电池电压、温度和电池组电流测量的情况下,也能顺利地对其进行过滤成为了一大难题。测量误差可能导致各种後果,包括错误回报电池充电状态、增加过度充电和放电的风险等,进而影响驾驶员、乘客和车辆的安全。为因应这些挑战,德州仪器的电池监测器和平衡器产品组合旨在透过整合杂讯过滤来实现高电压测量的准确度,将会大幅减少其对外部元件的需求。


当今讯号杂讯过滤解决方案的缺点

对於驾驶员和乘客而言,当今汽车不论是何种汽车都比过去更加安静,即使并非 EV/HEV汽车。然而,事实上仍存在许多并未被注意到且可能影响内部系统的杂讯,包括电池电压、温度和电流的测量以及数据与主电子控制单位(ECU)的通讯。


杂讯来自於不同的汽车部位,其中可能来自於加热器、变频马达或充电器。杂讯以不同频率共振,其频率范围从数十赫兹到几百兆赫兹不等,可能影响到被监测的讯号品质。因此无论杂讯来自何处,为了实现高性能,必须消除杂讯或至少抑制多数杂讯。降噪不当或不足都会在测量路径中引入谐波分量,导致系统产生无法解释的其他误差。


原始设备制造商(OEM)面临着重大挑战,因其难以准确地描述杂讯源的特徵,以便透过清晰的元件选择来进行完整的过滤。如此未明的情况将会影响到完整过滤的执行方式。一般来说,设计工程师会保守地选择过度设计的离散RC滤波器和IC以保证安全,但最终却影响解决方案的总成本和成效。


BMS系统整合商和设计工程师还应注意整合到电池监测器中的资料转换器的类型。例如,在 BMS监测器中,每个通道带有抽取滤波器的并行Σ - ΔADC来协助抑制杂讯,但每次测量所需的转换时间较长,反而会影响总电压测量速度。相比之下,多工SAR ADC转换器速度较快,不过在所有通道上采样的电池电压间存在时间差,导致人们对其同步性有所质疑。


克服电池测量同步的挑战

同步电池电压测量无疑对电池电量资料(SOC)演算法的准确度扮演重要角色。该演算法能够以尽可能小的误差确定电池的充电状态。这些演算法在不同OEM之间有所差异,导致电池电压测量所需的最低同步没有真正统一的规范。但是,OEM之间已达成共识,订定标准必须远低於1毫秒,并尽可能接近0。


每个BMS监测器可同时测量的多个电池的数量也发挥作用。如上述,根据BMS监测器的架构和通道数,可透过在每个通道上安装一个ADC(例如Σ - Δ)来实现完美同步,以便它们可同时开始测量。


然而,还必须注意菊链(Daisy-chain)通讯线路上发生的时间延迟,因为每个BMS监测器都将其数据向下传输到主ECU 。此处必须考虑通讯速度和帧协定。就此要求而言,OEM厂商之间并未统一。市场评估大约是10毫秒、20毫秒、甚至是100毫秒。这意味着,例如ECU将必须每10毫秒接收与400V系统的电池电压相关的数据,且在此时间内,所有96电池上采样的电池电压必须在小於1毫秒的时间内对齐。


无须外部元件即能过滤杂讯

为了获得有效且成本优化的解决方案,德州仪器借助其汽车电池监测器和平衡器系列产品,透过最大限度地减少,并最终消除对外部元件的需求来过滤电池管理系统中的杂讯。


BQ79616-Q1透过在ADC测量之前整合前端滤波器来解决杂讯问题,因此可在进行采样之前抑制高频杂讯。整合式前端滤波器使系统能够在电池单元输入通道上实现简易的、低额定电压值和差分 RC 滤波器。


此外,整合了後置测量滤波器,以提高ADC转换後的测量准确度,并提供多种频率过滤元件供您选择。整合ADC後,数位低通(Low-pass)滤波器可实现类似直流的电压测量,以实现更隹的SOC计算。德州仪器监测器在Ta = 80C时支持高达240mA的自动内部电池平衡,并具有温度监控、自动暂停和重启平衡功能,以避免过热的情况。这使ECU的开销更少,且以更快的速度执行额外的处理工作。


为了加快所有电池测量结果的交付速度,BQ79616-Q1优化了通讯协定,以便在菊链配置中实现快速数据返回,从而更好地减少元件之间的延迟。例如,在采用菊链方式连接六个BQ79616 的 96-电池400V系统中,电压测量可在2.5ms内返回到系统、串列传输速率为1Mbps,其中通道间的电池电压测量增量仅为120微秒。这种通讯时间缩短将让ECU有更多时间执行其他操作,并提高了总体故障检测时间容差。



图2 : 采用德州仪器BQ796XX电池监测器系列的菊链配置范例
图2 : 采用德州仪器BQ796XX电池监测器系列的菊链配置范例

包含隔离式双向菊链可支援基於电容器和变压器的隔离,从而允许将最有效的元件用於EV动力系统中常见的集中式或分散式架构。此外,透过隔离式差分菊链通讯介面,主机可透过单个介面与整个电池组进行通讯。若发生通讯线路中断时,菊链通讯介面可配置为环形架构,允许主机能够与堆叠两端的设备进行通讯。


长期的杂讯过滤解决方案

透过消除对外部杂讯过滤元件的需求,工程师可提高测量的完整性和准确度,实现通道间测量同步,并减少所有测量返回到主机的时间。此过程同时有助於形成一个优化且具有成本效益的解决方案,以帮助OEM在SOC和健康状态(SOH)计算目标上实现1%的误差。随着这些改进不断渗透到EV/HEV市场中,更多具有成本效益和更可靠的产品将不断推出。


(本文作者Ivo Marocco为德州仪器行销和业务发展总监)


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