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无线电池管理系统提升设计安全与可靠性

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来源: eettaiwan   发布者:eettaiwan
热度100票   时间:2017年3月17日 20:56
Greg Zimmer,凌力尔特信号处理产品部资深产品行销工程师

当今的汽车电池组已能实现高性能与长寿命,透过无线电池管理系统(BMS)可望进一步提高整个电池系统的安全和可靠性…

如果希望锂电池能长时间可靠运作,就需要相当谨慎,以避免使其过度作业导致其充电状态(SOC)达到极端。随着时间推移和使用量增加,锂电池的容量会减少,而且各颗电池容量之间会出现差异,因此必须对系统中的每颗电池加以管理,以保持这些电池处于所限定的SOC范围内。

为了让车辆拥有充足的电力,需要数十或数百颗电池配置成串,以产生高达1,000V或更高的电压。电池的电子系统必须以这种高电压运作,并抑制共模电压效应,同时分别测量和控制电池串中的每颗电池。这些电子系统必须能够从电池组中的每颗电池向中央处理点发送资讯。

此外,在车辆或其他大功率应用中,高压电池组面临着严苛的运作情况,例如运作时电气杂讯非常大,以及工作温度变化范围宽广等。理想的电池管理电子系统必须能最大限度地扩大运作范围、延长寿命、提高安全性和可靠性,同时使成本、尺寸和重量缩减至最小化。

例如,凌力尔特科技的电池监测IC让当今的汽车电池组实现了高性能、长寿命和高可靠性。无线电池管理系统(BMS)可望进一步提高整个电池系统的安全性和可靠性。

电池监测

凌力尔特在2008年推出首款高性能的多电池组监测器LTC6802。LTC6802的主要功能包括:以0.25%的最大总测量误差在13ms内测量多达12颗锂离子电池;多个LTC6802 IC可串联连接,同步监测高压电池串联中的每颗电池。LTC6802并历经多年的改善,如今,LTC68XX系列的所有元件可望用于混合动力/电动车(HEV)、纯电动车(EV)以及其他高压、大功率的电池组,为其进行精准的电池管理。

如今,最新的多电池组监测器LTC6811采用了超稳定电压参考、高压多工器和两个16位元增量累加(ΔΣ) ADC。该多电池组监测器能以高于0.04%的电压准确度测量多达12颗串联连接的电池。在最快速的ADC模式时,所有的电池可在290μs时间内完成测量。采用8个可编程的3阶低通滤波器设定时,LTC6811可大幅降低杂讯,因而达到卓越的电池测量准确度,进而实现精准的电池管理,以提高电池组容量、安全性并延长寿命。

每个多电池组监测器都包括两个内建的1MHz序列介面、一个用于连接本地微处理器的SPI介面和专有的两线式isoSPI介面。isoSPI介面提供两种通讯选择:多个元件能够以菊链方式连至BMS主元件(主处理器);或者多个元件以并联方式连接并定址至BMS主处理器。

模组化电池组

为了因应大功率汽车系统对于大量电池的需求,电池常常分成几个电池组,并分散在车内的各处可用空间中。一个典型的电池模组中有10到24颗电池,多个模组能以不同配置方式组装,以适用于多种车辆平台。模组化设计简化了维护和保修问题,并能够作为非常大型电池组之基础。模组化设计也允许电池组分散在较大的区域内,以便更有效地利用空间。

要在EV/HEV的高电磁干扰(EMI)环境中支援分布式的模组化拓扑,需要可靠的通讯系统。隔离式CAN汇流排和凌力尔特的isoSPI为此环境中实现模组互连提供了经过行车验证的解决方案。

由于CAN汇流排已成功导入汽车应用中,为电池模组互连提供了一种非常成熟的网路,但是还需要一些额外的元件。例如,透过LTC6811的SPI介面部署隔离式CAN汇流排,需要增加一个CAN收发器、一个微处理器和一个隔离器。CAN汇流排的主要缺点是,更多的元件增加了成本和所需的电路板空间。

图1:采用CAN汇流排的模组化BMS电子系统

一种能够代替CAN汇流排的介面是创新的两线式isoSPI介面。这种isoSPI介面已整合于新式的多电池组监测器(如LTC6811)中,采用简单的变压器和单对双绞线,而不是CAN汇流排所需的4条线。isoSPI介面提供很高的抗杂讯性能,借由此种介面,众多模组可透过很长的电缆以菊链方式连接,并以高达1Mbps的资料速率运作。

图2:采用isoSPI介面以菊链方式连接的模组化BMS电子系统

无线BMS

在无线BMS中,每个模组都透过无线连接,而非CAN汇流排电缆或isoSPI双绞线对互连。凌力尔特目前正展示首款采用无线汽车电池管理系统(BMS)的概念车——BMW i3,该概念车款采用了LTC6811电池组监测器和凌力尔特的SmartMesh无线网格网路产品,以取代电池组和电池管理系统之间的传统有线连接。这种完全无线BMS的车辆展示代表着一项重大突破,因为对于EV/HEV所采用由多电池组成的大型电池组而言,它提供了改善可靠性、降低成本以及布线的复杂度。

汽车制造商面临的挑战在于必须确保驾驶人既安全又可靠地驾驶EV/HEV。包括凌力尔特等业界供应商正致力于追求超越电池监测IC既有的安全性和可靠性,进一步克服在高度变动的汽车环境中可能产生的连接器、电缆和线束布线的机械故障。迄今为止,车辆中的金属和高EMI环境一直被认为太过严苛,无法让无线系统可靠地运作。然而,SmartMesh网路运用多样化的路径和频率绕过障碍物传送无线资讯,并降低干扰,从而提供了真正冗余的互连系统。

SmartMesh嵌入式无线网路验证适于工业物联网(IIoT)应用,可在严苛环境中提供可靠性>99.999%的资料传输,例如火车车厢监测、采矿、工业处理厂等环境。无线BMS概念车提供线路可靠性,免于机械连接器故障问题,显示无线技术可望大幅提升整体系统的可靠性,并进而简化了汽车电池管理系统的设计。

图3:采用SmartMesh网路的模组化BMS电子系统

采用SmartMesh网路的BMS有潜力提供目前有线系统无法实现的新功能。无线网格网路允许弹性化放置电池模组,以及在以往不适合线束布线的地方安装感测器。透过简单地增加支援SmartMesh的感测器,BMS主系统也可以收集与电池充电状态(SOC)计算准确度有密切关系的其他资料,例如电流和温度。

SmartMesh能以几微秒时间自动化实现每个节点的时间同步,并准确地为每个节点的测量值加盖时间戳记。在车内不同地点进行时间相关测量的能力,对于更准确地计算电池充电状态(SOC)和健康状态(SOH)而言,可说是一种强大的功能。在每个模组处具有本地处理能力的SmartMesh节点改善了BMS的运作,还可能实现智慧电池模组,透过该模组提供的诊断和通讯功能提升组装和服务。

SmartMesh IP无线感测器网路

SmartMesh无线感测器网路产品包括晶片、预先认证的PCB模组,以及网格网路软体,能够让感测器在严苛的工业物联网(IoT)环境中通讯。

SmartMesh产品经过现场验证,有超过5万个客户网路部署在120个国家。透过在严苛的 RF环境中提供>99.999%的资料可靠性,SmartMesh无线感测器网路已取得工业IoT供应业者的信任,可在无需干预的情况下连续多年可靠地提供关键的感测器和控制资料。

SmartMesh的特点包括:

经过验证:经过现场验证,在工业4.0应用中提供>99.999%的可靠性‧可靠:时间同步、通道跳频网格技术能根据自我诊断功能自动减少故障‧安全:可靠的安全措施包括NIST认证的AES128加密
互连方式的比较

图4-图7分别显示CAN汇流排、isoSPI和SmartMesh网路之间的不同电气连接方式:

图4:采用CAN汇流排的电池监测互连

图5:采用isoSPI的电池监测互连

图6采用SmartMesh WSN的电池监测互连

图7:采用SmartMesh WSN的电池监测和附加感测器的互连

总结

无线BMS的具有多种好处,包括:

排除易于需要维护的连接器、电缆和线束
允许增加新的感测器,进一步提高可靠性
简化自动组装和电池维护,为设计者提供额外的机械设计弹性
允许精准地收集时间戳记资料,进一步提升SOC/SOH计算
此外,结合SmartMesh的无线BMS不仅能排除易于需要维护的连接器、电缆和线束,还能透过SmartMesh的可扩展性和时间戳记资料撷取能力扩展BMS功能,并进一步提供高性能的类比与电源解决方案。




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    TAG: 可靠性 无线 电池 管理系统
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