滿足功能安全要求的電池管理系統
- 李佳玲／台北
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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，關注點將轉向其它元件。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轉換器和馬達。
作為核心元件，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3.6 V至3.7 V，動力電池520 V或900 V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詳細說明
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(圖一)
監測電池參數(溫度、阻抗、電壓和電流)
溫度監測
通常，NTC熱敏電阻緊貼電池或模組壁，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)。溫度可使用晶片整合的類比/數位轉換器(ADC)，通過測量電阻-熱敏電阻網路電壓來確定。
準確的溫度數字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10 kW，± 1 %，B值為3435 K，± 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。
這種熱敏電阻還具有較高的熱迴圈耐受能力，高溫下阻值漂移較低。NTC熱敏電阻可放在TNPW / TNPU系列固定電阻網路中—TNPW/TNPU系列電阻具有超精密公差，電阻熱係數低至± 0.1 %，± 25 ppm/℃，或者放在可支援± 0.05 %相對公差和0.1%絕對公差的ACAS網路電阻中(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。
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。
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。這種方法採用多工器一次測量各個電池的電壓，將其轉換為ADC數位信號。然後對這些數位信號進行評估。
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」，可通過整合充電器(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感測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。
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)。
被動均衡採用泄放電阻將電池的多餘能量轉化為熱量。晶片測量電池充電時每塊電池的電壓，達到閾值後隨即接通電阻器。這個過程可以同時發生在一塊或多塊電池上(圖6)。這種方法使用的電阻器通常採用厚膜技術加工。它們具有較高的溫度係數和較高的初始公差。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，具有更好的熱迴圈性能。汽車工業要求-55 °C至+125 °C溫度範圍內以及增加迴圈的情況下，元件與印刷電路板之間可靠焊接，這些條件構成選擇合適元件的另一個標準。
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。
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，系統使用的元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。
冗餘獨立的測量方法可最大限度降低風險
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類比方式測量電池電壓，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。上述厚膜洩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週期精確的測量。
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)，提高了熱迴圈性能(3000次迴圈)。憑藉這些特性，該系列電阻適合用作BMS的洩漏電阻，或電池電壓測量電阻，滿足ASIL-D未來整個系統的要求。
由於每個元件的性能、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瞭解，就無法選擇元件，尤其是電動傳動系統元件。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。(本篇文章來源：Adrian Michael現任Vishay汽車產品行銷經理。他擁有德國西薩克森茨維考應用科技大學碩士學位(Westsächsische Hochschule Zwickau)，曾在Axellon公司工作。)
