傳感器融合如何提高電池管理系統(tǒng)性能和電池壽命

在為電動(dòng)汽車 (EV)、住宅和公用事業(yè)級(jí)電池儲(chǔ)能系統(tǒng) (BESS) 以及自主移動(dòng)機(jī)器人 (AMR) 等應(yīng)用設(shè)計(jì)電池管理系統(tǒng) (BMS) 時(shí)，傳感器融合是一種非常有用的方式。例如，為了最大限度地提高電池性能和使用壽命，電量狀態(tài) (SoC) 和健康狀態(tài) (SoH) 是 BMS 需要監(jiān)控和管理的重要特征。要掌握電池的 SoC 和 SoH 狀態(tài)，就可以采用傳感器融合技術(shù)，將電壓、電流和溫度測(cè)量實(shí)時(shí)結(jié)合起來(lái)。

在為電動(dòng)汽車 (EV)、住宅和公用事業(yè)級(jí)電池儲(chǔ)能系統(tǒng) (BESS) 以及自主移動(dòng)機(jī)器人 (AMR) 等應(yīng)用設(shè)計(jì)電池管理系統(tǒng) (BMS) 時(shí)，傳感器融合是一種非常有用的方式。例如，為了最大限度地提高電池性能和使用壽命，電量狀態(tài) (SoC) 和健康狀態(tài) (SoH) 是 BMS 需要監(jiān)控和管理的重要特征。要掌握電池的 SoC 和 SoH 狀態(tài)，就可以采用傳感器融合技術(shù)，將電壓、電流和溫度測(cè)量實(shí)時(shí)結(jié)合起來(lái)。
不過(guò)，要想獲得最佳效果，BMS 中的傳感器必須高度精確，且要符合環(huán)保要求。即使是微小的傳感器誤差也會(huì)隨著時(shí)間的推移而產(chǎn)生累積效應(yīng)，導(dǎo)致對(duì) SoC 和 SoH 的估計(jì)錯(cuò)誤。此外，SoC 和 SoH 的計(jì)算必須考慮充電和放電的速率以及電池的溫度歷史。這些挑戰(zhàn)都可以通過(guò)傳感器融合來(lái)解決。
讓我們快速了解一下 SoC 和 SoH 的含義及其計(jì)算方法，以及溫度變化對(duì)其精度的影響。然后了解傳感器融合如何提高 BMS 性能，并舉例說(shuō)明可用于汽車和工業(yè) BMS 設(shè)計(jì)的電壓、電流和溫度傳感器。
什么是 SoC 和 SoH？
SoC 是指電池中電的量。鋰 (Li) 電池的放電曲線非常平緩，其電壓在放電約 80% 之前幾乎是恒定的，因此測(cè)量輸出電壓并不是測(cè)量 SoC 的有效方法。要測(cè)量 SoC，BMS 需要監(jiān)控電流并測(cè)量進(jìn)出電池的庫(kù)侖數(shù)。
SoC 是一個(gè)測(cè)量值，而 SoH 則是電池現(xiàn)有容量占新電池容量百分比的估計(jì)值。目前已開(kāi)發(fā)出許多估算 SoH 的算法，所有算法都依賴于傳感器融合。SoH 算法中使用的一些常用參數(shù)包括：
· 阻抗
· 自放電率
· 接受充電的能力
· 充電/放電次數(shù)
· 電池使用年限
· 電池的溫度歷史
· 累計(jì)充放電的電量
SoC 和 SoH 的傳感器融合是通過(guò)分布在整個(gè)電池系統(tǒng)中的傳感器實(shí)現(xiàn)的，包括單個(gè)電池組中的溫度傳感器、多芯電池監(jiān)控器中的電壓和溫度傳感器、高壓 (HV) 配電總線中的電流監(jiān)控器以及主控單元中的集中式高壓檢測(cè)和溫度傳感器（圖 1）。要實(shí)現(xiàn)精確的 SoC 和 SoH 計(jì)算，就需要傳感器具有高精確度和長(zhǎng)期穩(wěn)定性，并能在惡劣條件下工作。

圖 1：需要各種溫度、電壓和電流傳感器（綠色方框）來(lái)支持 BMS 中的傳感器融合。（圖片來(lái)源：Vishay）

好消息是，Vishay 提供了廣泛的元件來(lái)支持您的 BMS 設(shè)計(jì)活動(dòng)。以下傳感器只是冰山之一角。
高壓母線電流檢測(cè)
WSLP 系列電阻器非常適合用作高壓母線電流檢測(cè)分流器。它們?cè)诟邷貞?yīng)用中支持高精度檢測(cè)，溫度系數(shù)低至每攝氏度百萬(wàn)分之 75 (ppm/°C)，熱電動(dòng)勢(shì) (EMF) 低于每攝氏度 3 微伏 (μV)。其阻值從 0.0002 到 0.1 歐姆 (Ω) 不等。另一種高壓母線電流檢測(cè)選擇是 WSBS/WSBM 大功率分流器，其阻值低至 25 微歐 (μΩ)，可處理大于 2 千安培 (kA) 的脈沖。此外，WSK1216 大功率金屬帶狀電阻器采用四端子設(shè)計(jì)，容差為 1%，阻值低至 0.0002 Ω。
電壓檢測(cè)
像 MCA1206MD5004BP500 5 兆歐 (MΩ) 器件這樣的薄膜片式電阻器，可在主控單元和電池監(jiān)控器中用于高壓檢測(cè)。該系列汽車級(jí)器件提供的阻值范圍從 1 Ω 到 10 MΩ。其工作溫度范圍為 -55 至 175°C，溫度系數(shù)低至 ±10 ppm 每開(kāi)爾文 (ppm/K)。TNPW 高穩(wěn)定性、薄膜片式電阻器專為需要高精度和長(zhǎng)期穩(wěn)定性的場(chǎng)合而設(shè)計(jì)。經(jīng)過(guò) 1000 小時(shí)壽命測(cè)試后，其電阻漂移率低至 ≤0.05%。
溫度傳感器
Vishay 還提供適合特定 BMS 應(yīng)用的各種溫度傳感器，例如專為表面溫度傳感應(yīng)用而設(shè)計(jì)的 NTCALUG 系列耳片式溫度傳感器（圖 2）。它們結(jié)合了電氣絕緣和固體熱接觸特性，可在 -40 至 +150°C 范圍內(nèi)提供準(zhǔn)確、可靠的測(cè)量。
NTCS 系列表面貼裝 NTC 熱敏電阻采用玻璃封裝，具有環(huán)保性能，可為電池監(jiān)控電路和主控制單元設(shè)計(jì)帶來(lái)優(yōu)勢(shì)。這些熱敏電阻可在 -40 至 +150°C 溫度范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)高靈敏度、高精度檢測(cè)。它們采用陶瓷技術(shù)，有三種尺寸可供選擇： 0402、0603 和 0805。

圖 2：Vishay 提供多種溫度傳感器封裝樣式，包括耳片式（左）和表面貼裝式（右）NTC 溫度傳感器（未按比例）。（圖片來(lái)源：Vishay）

結(jié)語(yǔ)
傳感器融合在 BMS 中非常有用，可用于測(cè)量電壓、電流和溫度，從而準(zhǔn)確確定電池的 SoC 和 SoH，延長(zhǎng)電池壽命，最大限度地提高電池系統(tǒng)性能。如上所述，Vishay 可提供適用于高性能 BMS 設(shè)計(jì)的全系列環(huán)保型精密傳感器以及其他元件。