第2章 BMS参数测量与控制策略

2.1 电池关键参数的测量

锂离子电池作为新型清洁、可再生的二次能源，需精确监测其电流、电压及温度等参数，并做好相应的保护电路。对于手持设备而言，更需要追求高精度、低功耗，从而降低对锂离子电池的“过度”使用，延长其使用寿命。对锂离子电池组的电压、电流的准确测量，是BMS中的关键技术问题。电池是新能源汽车的能量之源，其性能和使用寿命是用户关注的焦点，电池性能和电池的电压及温度密切相关。在提倡节能减排的时代背景下，新能源的研究正成为公众关注的焦点，以电为动力的新能源汽车就是研究的热点之一。电池组是新能源汽车的能量之源，为确保电池组性能良好，并延长其使用寿命，需要对电池组进行管理和控制，其前提是必须准确而又可靠地获得电池现存的容量参数。电池的电压和温度是与电池容量密切相关的两个参数，因此精确采集单体电池电压及温度是十分重要的。需要测量电池组、电池或独立单体电池温度。

锂离子单体电池在外界处于某个特定的温度范围时不能放电，也会在另一个更窄的温度范围内不能充电。这使得在移动式应用等某些温度不可控的应用场景下，需要监测温度：

1）当由于内部问题（单体已坏或正被滥用）或外部问题（电源连接不佳，本地热源）导致单体电池变热时，应该对系统发出警告信号，而不是任其发生严重故障。

2）在分布式BMS内，在各个子模块的集成电路板处添加传感器比较简单。不仅可以测量单体电池温度，还可以检测均衡负载是否在工作。

3）数字BMS对温度可以监测或不监测，而模拟BMS却不能如此，即使测量，也是在电池级。分布式BMS可以测量每个单体电池的温度；非分布式BMS只是测量电池或电池模块温度。

4）如果BMS只有一只或少量传感探头，这些探头应该布置于电池或电池模块的特定位置，比如最易升温或最易降温的位置。

2.1.1 电压

串联电池组单体电池电压的测量方法有很多，比较常见的有机械继电器隔离法、差分放大器隔离法、电压分压隔离法、光电继电器隔离法等。机械继电器隔离法可直接测量每个单体电压，但是机械继电器使用寿命有限、动作速度慢，在长期快速巡检过程中不宜使用。差分放大器隔离法的测量误差基本上由隔离放大器的误差所决定，但是由于每路的测量成本比较高，所以在经济性上略显不足。电压分压隔离法的响应速度快、测量成本低，但是其缺点是不能很好地调节分压比例，测量精度也不能令人满意。光电继电器隔离法的响应速度快、工作寿命长，测量的成本相对较低，开关无触点，能够起到电压隔离的作用，若选用的光电继电器采取PhotoMOS技术，则能达到较高的测量精度。因此，光电继电器隔离法是比较理想的单体电池电压测量方法。

光电继电器的通断控制策略，是光电继电器隔离法要解决的重要问题。常用的光电继电器的通断控制方法有I/O直接控制、译码器控制、模拟开关控制等。I/O直接控制的方法简单、容易实现，但是需要占用大量的I/O资源。译码器控制和模拟开关控制的思想类似，即用少数量的I/O去控制多数量的光电继电器，这两种方法减少了I/O口的占用。采用I/O直接控制、译码器控制和模拟开关控制，都需要将通断控制电路、A-D转换电路及处理器设计在同一个模块（即采样模块）上，这样的话，单体电池的两个电极就需引线到采样模块上，对整个电池组来讲，就会有大量的导线连到采样模块，造成安装的烦琐和电气走线的复杂性。对单体电池电压的测量，应着重解决三个问题：使用现场与测量系统的电气隔离、降低成本和简化设计方案、提高系统精度。I/O直接控制、译码器控制和模拟开关控制这三种光电继电器的通断控制方法在设计的简洁性方面就显得不足。

基于光电继电器隔离法设计BMS，单体电池电压的测量可采用分时测量的方法。串联电池组中各个电池的两端通过光电继电器隔离，然后统一连接到检测总线上。按照一定的时间策略控制光电继电器的通断，可控制单体电池在不同的时间段单独将电压施加在检测总线上，从而实现单体电池电压的分时检测。该方法的巡检周期短、测量精度高。但是，控制光电继电器的通断需要占用大量的I/O资源，这就限制了BMS可管理电池的数量。同时在BMS的实际安装中，由于电池两端需要引线到采集模块，所以就会有比较多的走线，导致BMS安装不方便及新能源汽车电气走线的复杂性。为了改善以上不足，可以使用新型的光电继电器控制策略。

2.1.2 温度

电池温度对电池的容量、电压、内阻、充放电效率、使用寿命、安全性和电池一致性等方面都有较大的影响，所以电池在使用中必须进行温度监测。

目前单体电池温度的测量，一般采用热敏电阻作为温度传感器，采用分压法由A-D采样读取热敏电阻的端电压，根据电阻和温度之间的关系计算出温度值。将热敏电阻安装在每个电池上，分时接到A-D采样电路上进行温度采样，实现单体电池温度的巡检。采用热敏电阻测量温度，其测量精度为1℃，误差较大。同时，有时由于制造工艺原因，热敏电阻个体的温度特性存在差异，由此造成温度测量校准的困难。进行多点温度巡检时，同样要解决分时通道选通问题，需要考虑设计的简洁性。

基于移位寄存器的控制通道选通思想，可采用数字温度传感器进行同时启动分时读取数据的多点温度采样方法。采用该方法，采样精度较高、采样速度快、安装简洁方便。电池温度的测量也可以采用DALLAS公司的DS18B20温度传感器，该传感器采用单总线技术，测温范围-55～125℃，全数字温度转换及输出，支持多点方式组网，进而实现多点温度采样。

2.1.3 电流

通过在锂离子电池供电环路引入灵敏电阻对电流进行采样，并控制差分运算放大器和高速比较器的通断，实现从模拟信号到数字信号的转换。在处理器中进行精确电流量的运算，能对过电流、短路电流进行保护，也能用于精确地计算电池阻抗、电量等相关参数。电路基于0.18μm CMOS工艺，电源电压为2.5V，能够在-40～125℃应用环境温度范围内实现对电流的采样和编码功能，并且能对充放电动作进行判断。在锂离子电池供电环路中引入灵敏电阻对电流进行监测，给系统提供充放电提示，同时可用于电量计算以及保护控制。模-数转换器（ADC）由采样、量化和编码构成。锂离子电池电流监测系统框图如图2-1所示。

图中，电容和AMP放大器组成开关电容采样电路，COMP高速比较器对数据进行量化，处理器对电路进行数字逻辑控制及编码。偏置电路提供AMP放大器自启动支路并产生V_be1和V_be4。时钟模块控制系统开关，包括S₁、S₂、S₅、S₆、S₃₈。处理器输出数字信号Logic Control，改变量化电容。