汽車工業(yè)正在發(fā)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(tǒng)內燃機和傳動系統(tǒng)必要的機械部件，而今后，關注點將轉向其它組件。他們可能開發(fā)新型固態(tài)電池，以增加續(xù)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(fā)高性能充電器、DC/DC轉換器和電機。
作為核心組件，電池管理系統(tǒng) (BMS) 負責電池的正確管理和監(jiān)測。目前，電動汽車采用鋰離子電池。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(tǒng)需要約140至250節(jié)電池。這種配置中，必須監(jiān)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采用多通道IC（當前最多配置16通道）執(zhí)行監(jiān)測功能，BMC控制每個CMC（圖1）。
圖1 – 高級汽車架構電池管理系統(tǒng)結構示意圖及接口說明；圖片來源：Vishay
監(jiān)測電池參數（溫度、阻抗、電壓和電流）
溫度監(jiān)測
通常，NTC熱敏電阻緊貼電池或模塊壁，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（由于電阻負溫度系數大）。溫度可使用芯片集成的模/數轉換器 (ADC)，通過測量電阻-熱敏電阻網絡電壓來確定。
準確的溫度讀數對于電池的正常功能和系統(tǒng)的安全極為重要。NTC和測量電路電阻關系到溫度測量精度。
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(yōu)于安裝 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循環(huán)耐受能力，高溫下阻值漂移較低。NTC熱敏電阻可放在TNPW / TNPU系列固定電阻網絡中—TNPW/TNPU系列電阻具有超精密公差，電阻熱系數低至± 0.1 %，± 25 ppm/℃，或者放在可支持± 0.05 %相對公差和0.1%絕對公差的ACAS網絡電阻中（圖4）。控制芯片對NTC熱敏電阻 (Vntc) 產生的電壓進行采樣，并檢測高低閾值。
圖2 –圖片來源：LTspice XVII模擬芯片或ADC輸入電阻/熱敏電阻分壓電橋電壓，
用于電池溫度檢測
圖3 – NTC參考設計、技術性能對比以及NTCAFLEX05系列柔性箔傳感器參考設計；圖片來源：Vishay
圖4 –分立式增益電阻與網絡電阻性能對比；圖片來源： Vishay
阻抗監(jiān)測
不用進行全面阻抗測量。這種測量方法的優(yōu)點是可以更準確地估計荷電狀態(tài) (SOC) 和健康狀態(tài) (SOH)。簡單來說，測量使用的方法是施加不同頻率的交流電。然后，像電流一樣，使用基于軟件的模型轉換并解析復雜的電壓。
單體電池電壓監(jiān)測
單體電池電壓一般使用芯片集成的ADC 測量。這種方法采用多路復用器依次測量各個電池的電壓，將其轉換為ADC數字信號。然后對這些數字信號進行評估。
電流監(jiān)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”，可通過集成充電器（車載充電器，簡稱OBC）交流充電，也可采用外置充電器直流充電。由于電池是串聯的，所有電池的電流一樣，因此，系統(tǒng)電流只需測量一次。測量時可使用霍爾效應電流傳感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(xù)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，電池多余能量在場效應晶體管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管傳送到下一塊電池。這種方法持續(xù)進行，直到所有電池達到滿充電電壓（圖5）。
圖5 –主動均衡示意圖；圖片來源：Vishay
被動均衡采用泄放電阻將電池的多余能量轉化為熱量。芯片測量電池充電時每塊電池的電壓，達到閾值后隨即接通電阻器。這個過程可以同時發(fā)生在一塊或多塊電池上（圖6）。這種方法使用的電阻器通常采用厚膜技術加工。它們具有較高的溫度系數和較高的初始公差。Vishay提供了顯著不同的方法。與傳統(tǒng)厚膜電阻器相比，雙涂層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(xù)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(jié)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(xù)功率，具有更好的熱循環(huán)性能。汽車工業(yè)要求-55 °C至+125 °C溫度范圍內以及增加循環(huán)的情況下，組件與印刷電路板之間可靠焊接，這些條件構成選擇合適組件的另一個標準。
圖6 –被動均衡示意圖；圖片來源：Vishay
由于主動均衡電路成本高，每塊電池內阻和電容制造公差較窄，汽車領域主要采用被動均衡。
功能安全 (ISO 26262, ASIL-D)
電池及其監(jiān)測系統(tǒng)對于安全至關重要。因此，系統(tǒng)使用的組件以及整個系統(tǒng)本身必須根據ISO 26262進行開發(fā)，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(tǒng)、制動系統(tǒng)和助力轉向系統(tǒng)等具有同樣重要的意義。如果這些系統(tǒng)出現故障或存在缺陷，將直接危及生命和肢體安全。
冗余獨立的測量方法可最大限度降低風險
這種情況下，監(jiān)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。
冗余電池電壓測量可使用兩個電池芯片進行。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模擬方式測量電池電壓，將其與芯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。上述厚膜泄漏電阻不適于這種測量。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周期精確的測量。
Vishay同樣為此提供了多種選擇。首先是采用特殊薄膜技術生產的MC-HP系列電阻器。其優(yōu)點是長期穩(wěn)定（≤ 0.2 %; P70, 1000小時），性能是標準薄膜電阻器的兩倍。其次是采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(wěn)定性 （≤ 0.2 %; P70, 1000小時）、連續(xù)功率空間比要求，幾乎相同的連續(xù)功率只需三分之一常規(guī)空間（圖7），提高了熱循環(huán)性能（3000次循環(huán)）。憑借這些特性，該系列電阻適合用作BMS的泄漏電阻，或電池電壓測量電阻，滿足ASIL-D未來整個系統(tǒng)的要求。
圖 7 – 高性能寬端子薄膜電阻熱力圖對比，所需空間是常規(guī)端子的三分之一；圖片來源：Vishay
由于每個組件的性能、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(guī)定越來越嚴格，如果對于整個系統(tǒng)設計沒有深入了解，就無法選擇組件，尤其是電動傳動系統(tǒng)組件。在這方面，Vishay提供了許多極具差異化的產品和解決方案，有助于整個系統(tǒng)高效安全的設計。
作者：
Adrian Michael現任Vishay汽車產品營銷經理。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。 |
