如何满足BMS电池组的电流和电压测量要求

本文作者：德州仪器Krunal Maniar，编译自Allaboutcircuit

随着从不可再生能源向可再生能源的加速转变，化学储能正在成为一种重要的储能设备，化学储能中最重要的就是电池，它们的用途包括从太阳能电池板和风力涡轮机中收集能量，以及在电动汽车 (EV) 中储存电力。

随着电池技术的不断发展和电池制造的功率和能量密度提高，提高电池管理系统的性能同样重要。 BMS（如图 1 中的框图所示）负责使电池组安全、可靠且具有成本效益，同时提供有关其状态的准确估计。

图 1：典型 BMS 框图

通常，BMS 执行以下功能：

• 电池平衡：需要监控和平衡各个电池组电池，以便在充电和放电循环期间在电池之间重新分配电荷。

• 温度监控：需要测量多个位置的单个电池温度和电池组温度，以确保以最高效率安全运行。

• 充电状态 (SoC) 和健康状态 (SoH) 估计：除了单个电池电压测量，整个电池组的准确电流和电压测量使 BMS 能够准确估计电池组的 SoC 和 SoH。准确的估计对于提高电池效率和安全性很重要。在电动汽车中，电池组的 SoC 和 SoH 计算确切的行驶里程并决定电池组的充电和放电曲线。

• 隔离监控：此安全关键功能检查高压总线和机箱之间的电阻，以确保两者之间有足够的隔离。

• 接触器控制：BMS 算法控制预充电和安全接触器，可检测电池组外部或内部的任何故障。

在本文中，我们将了解 BMS 中电池组电流测量和模数转换器的要求。

了解 BMS 电池组电流测量要求

如图 2 所示，电池组通常具有两种工作模式：充电模式和放电模式。

图 2：BMS 中的操作模式

在充电模式下，充电电路对电池组进行充电；电流流入其 HV+ 端子。

在放电模式下，电池组为外部负载供电，电流流出其HV+端子。

例如，在电动汽车中，电池组为电动机提供动力，电动机将电能转换为机械能并驱动汽车。

通常，BMS 在充电模式和放电模式下测量双向电池组电流。一种称为库仑计数的方法使用这些测量的电流来计算电池组的 SoC 和 SoH。充电和放电模式期间的电流幅度可能相差一个或两个数量级。

例如，电动汽车中的充电电流的典型范围为 0 A 至 100 A，而放电电流可达到 2,000 A 的峰值。

表 1 显示了 EV BMS 中双向电池组电流检测的典型精度要求。

表 1：EV BMS 中的电池组电流测量要求

另一方面，基于分流的电流测量是在如此宽的电流范围内实现准确度水平的首选方案。闭环霍尔模块可能是一种替代方案，但与基于分流的解决方案相比，它们非常昂贵。

基于低边分流的电流测量通常用于监测 BMS 中电池组的充电和放电电流。然而，基于分流器的测量的挑战之一是如何处理分流器上的热耗散。随着分流器技术的改进，分流器现在具有更小的电阻值，以最大限度地减少热耗散，并提供非常高的精度以及出色的过温和寿命漂移性能。

对于 EV BMS 电池组电流测量，分流器的范围为 25 µΩ 至 100 µΩ。

了解 BMS 中的 ADC 要求

实现具有宽动态范围的高精度分流电流测量的最成熟方法之一是使用高分辨率 Δ-ΣADC。

如图 3 所示，典型的实现包括一个至少具有 24 位分辨率的 ΔΣ ADC，然后是一个数字隔离器。

图 3：BMS 中基于分流器的电流测量

分流器通常放置在电池组的 HV- 端子上，ADC测量以同一 HV- 端子为基准的分流电流。由于分流器的电阻值非常低，因此分流器上的电压降非常小。因此，ADC能够以高精度和高动态范围测量双向电压降。

表 2 列出了电流测量的 ADC 性能要求。

表 2：EV BMS 中的 ADC 要求

由于分流器会随温度漂移，因此设计人员通常会在分流器附近放置一个热敏电阻来测量分流器温度并补偿可能导致电流测量不准确的温度变化。除了测量电池组电流外，对电池组进行准确的电压测量对于准确的 SoC 和 SoH 估计也很重要。对于此测量，电阻分压器网络按比例降低 HV+ 端子处的高压。

图 4 显示了使用德州仪器 (TI) ADS131B04-Q1 的典型 BMS 应用电路的技术实现，这是一款 24 位、四通道、同步采样 Δ-Σ ADC。

图 4：在 BMS 中使用 ADS131B04-Q1

HV–端子用作 BMS 高压侧的接地参考。因此，ADS131B04-Q1 的 AGND 和 DGND 引脚以及分流器、热敏电阻和电阻分压器网络的低端都连接到HV–端子。热敏电阻的一侧和电阻分压器网络底部电阻的一侧也连接到同一HV–端子。

凭借集成的低漂移基准、低噪声可编程增益放大器、特殊的全局斩波偏移消除功能以及测量双向电流所需的前端，ADS131B04-Q1可通过单芯片实现高性能的电池测量，包括：

• 电池组电流具有高分辨率和精度，使用低侧电流分流电阻器。
• 电池组电压，采用高压电阻分压器。
• 分流温度，使用热敏电阻。
• 用于诊断目的的辅助测量，例如电源电压。

随着对电池存储能量的需求不断增加，对准确的电池组电流、电压和温度测量的需求变得更加重要。ADC 的低失调和随温度变化的增益误差补偿以及低噪声使 BMS 能够更有效地监测和控制电池组，从而提高系统安全性和可靠性。