性能更佳的測量系統如何在嘈雜的環境中改善EV/HEV電池的健康狀況
前言：
作者：Ivo Marocco, APP-BMS-BAP
信心對於普及電動汽車和混合動力/電動汽車（EV/HEV）至關重要，但要為了提升信心，我們必須提高這些車輛中電池測量的精度。為獲得更高的測量精度，必須處理干擾資料獲取以及將其傳輸到主處理器的高雜訊級別。高精度地測量電池電壓、溫度和電流遠遠不夠，還需要同步。
圖1：顯示電源需要電池監測的電動汽車示例
電動汽車/混合動力汽車中的噪音源具有不同頻率和不同振幅，這使得如何更好地對其進行過濾成為了一個難題，從而不影響對電池電壓、溫度和電池組電流的測量。測量誤差可能導致各種後果，包括錯誤報告電池充電狀態、可能的過度充電和過度電池放電，這都可能會影響駕駛員、乘客和車輛的安全。為應對這些挑戰，德州儀器的電池監測器和平衡器產品組合旨在通過實現集成的雜訊過濾波來實現高電壓測量的精度，這也最大程度地減少了對額外外部組件的需求。
當今信號雜訊濾波解決方案的缺點
對於駕駛員和乘客而言，現代汽車更安靜，即使它不是 EV/HEV但並未聽到很多影響內部系統的信號雜訊，包括電池電壓、溫度和電流的測量以及此資料與主電子控制單元（ECU）通信的方式。
該信號雜訊來自車輛的不同區域，包括加熱器、逆變器電機和充電器。這些不同的雜訊都在不同頻率下產生諧振範圍從數十赫茲到幾百兆赫茲，這會影響需要監測的信號品質。因此，為實現盡可能高的性能，消除雜訊或至少抑制多數雜訊成為一項“必做之事”，無論雜訊來自何處。降噪不當或不足會在測量路徑中引入諧波分量，導致系統無法解釋的額外誤差。
原始設備製造商（OEM）面臨著一個主要挑戰，因為很難準確描述噪音源特徵，這樣清晰的元件選擇可對其進行完整濾波。這一未知情況影響完整濾波的執行方式。通常來講，設計工程師會選擇離散的RC濾波器和積體電路，這些濾波器和積體電路被保守地過度設計，以確保其最安全，從而最終影響整體解決方案的成本和效率。
BMS系統集成商和設計人員還應注意集成到電池監測器中的資料轉換器的類型。例如，在BMS監測器中都有並行的Σ - ΔADC，每個通道帶有抽取濾波器，這有助於抑制雜訊，但每次測量的轉換時間較長。這反過來會影響總電壓測量速度。另一方面，多工SAR ADC轉換器速度要快得多，但是在所有通道上採樣的電池電壓之間存在時間差，從而對它們的同步產生問題。
克服與測量同步相關的挑戰
同步電池電壓的測量無疑對充電狀態(SOC)演算法的準確性起著至關重要的作用。該演算法能夠以盡可能小的誤差確定電池的充電狀態。這些演算法在OEM與OEM之間有所差異，其會導致電池電壓測量所需的最低同步並沒有真正統一的規範。但是，原始設備製造商之間已達成共識，該數位必須遠低於低於1毫秒，並盡可能接近0。
每個BMS監測器可同時測量的多個電池的數量也發揮著作用。如上所述，根據BMS監測器的架構和通道數，可通過在每個通道上安裝一個ADC（例如Σ - Δ ）來實現完美同步，以便它們可同時開始測量。
但是，還必須記住菊輪鍊通信線路上發生的時間延遲，因為每個BMS監測器都將其資料向下傳輸到主ECU。此處必須考慮通信速度和幀協定。同樣在此情況下，就此要求而言，OEM廠商之間並未統一。市場評估大約是10毫秒，20毫秒，有時甚至是100毫秒。這意味著，例如ECU將必須每10毫秒接收一次與400V系統的電池電壓相關的資料，且在此時間內，所有96電池上採樣的電池電壓必須在小於1毫秒的時間內對齊。
使用外部元件來過濾雜訊是行不通的
為了獲得一種有效且成本優化的解決方案，德州儀器借助其汽車電池監測器和平衡器系列產品，通過最大限度地減少並最終消除了對外部元件的需求來過濾電池管理系統中的雜訊。
BQ79616-Q1通過在ADC測量之前集成前端濾波器來解決雜訊問題，因此可在進行採樣之前抑制高頻雜訊。集成式前端濾波器使系統能夠在電池單元輸入通道上實現簡易的、低額定電壓值和差分RC濾波器。
此外，集成了後置測量濾波器，以提高ADC轉換後的測量精度，並提供多種頻率濾波選件供您選擇。集成的ADC後，數位低通濾波器可實現類似直流的電壓測量，以實現更佳的SOC計算。德州儀器監測器在Ta = 80C時支持高達240mA的自主內部電池平衡，並具有溫度監控、自動暫停和重啟平衡功能，以避免過熱的情況。這使ECU的開銷更少，且以更快速度執行額外處理。
為了加快所有電池測量結果的交付速度，BQ79616-Q1優化了通信協定，以便在菊輪鍊配置中實現快速資料返回，從而更好地減少了器件之間的延遲。例如，在採用菊輪鍊方式連接六個BQ79616的96-電池400V系統中，電壓測量可在 2.5ms 內返回到系統、串列傳輸速率為 1Mbps，其中通道間的電池電壓測量增量僅為120微秒。這種通信時間縮短將讓ECU有更多時間執行其他操作，並提高了總體故障檢測時間容差。
圖2：採用德州儀器 BQ796XX電池監測器系列的菊輪鍊配置示例
包含隔離式雙向菊輪鍊埠可支援基於電容器和基於變壓器的隔離，從而允許將最有效的組件用於EV動力系統中常見的集中式或分散式架構。此外，通過隔離式差分菊輪鍊通信介面，主機可通過單個介面與整個電池組進行通信。若發生通信線路中斷時，菊輪鍊通信介面可配置為環形架構，允許主機能夠與堆疊兩端的設備進行通信。
一個長期的、經濟高效的雜訊過濾解決方案
通過消除對外部雜訊過濾元件的需求，工程師可提高測量的完整性和精度，實現通道間測量同步，並減少所有測量返回到主機的時間。此過程還應有助於生成一個優化的、具有成本效益的解決方案，以幫助OEM在SOC和健康狀態（SOH）計算目標上實現1%的誤差。隨著這些改進不斷滲透到EV/HEV市場中，更多具有成本效益和更可靠的產品將推出，這將會進一步提升我們的信心。
