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高性能測量系統在嘈雜環境中改善EV/HEV電池健康狀況
 

【作者: Ivo Marocco】   2020年09月09日 星期三

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電池是否可靠對於現今主要會採用電池的電動汽車與混合動力車(EV/HEV)十分重要。為了提升可靠性,必須提高這些車輛中電池單元測量的準確度。而為獲得更高的測量準確度,必須處理干擾數據採集以及將其傳輸到主處理器的高雜訊級別。同時,高準確度地測量電池電壓、溫度和電流還遠遠不夠,更需要實現同步化。



圖1 : 電池單元監測、電源和電動汽車的範例
圖1 : 電池單元監測、電源和電動汽車的範例

電動汽車與混合動力汽車中的雜訊源具有不同頻率和振幅,因此如何在不影響其對電池電壓、溫度和電池組電流測量的情況下,也能順利地對其進行過濾成為了一大難題。測量誤差可能導致各種後果,包括錯誤回報電池充電狀態、增加過度充電和放電的風險等,進而影響駕駛員、乘客和車輛的安全。為因應這些挑戰,德州儀器的電池監測器和平衡器產品組合旨在透過整合雜訊過濾來實現高電壓測量的準確度,將會大幅減少其對外部元件的需求。


當今訊號雜訊過濾解決方案的缺點

對於駕駛員和乘客而言,當今汽車不論是何種汽車都比過去更加安靜,即使並非 EV/HEV汽車。然而,事實上仍存在許多並未被注意到且可能影響內部系統的雜訊,包括電池電壓、溫度和電流的測量以及數據與主電子控制單位(ECU)的通訊。


雜訊來自於不同的汽車部位,其中可能來自於加熱器、變頻馬達或充電器。雜訊以不同頻率共振,其頻率範圍從數十赫茲到幾百兆赫茲不等,可能影響到被監測的訊號品質。因此無論雜訊來自何處,為了實現高性能,必須消除雜訊或至少抑制多數雜訊。降噪不當或不足都會在測量路徑中引入諧波分量,導致系統產生無法解釋的其他誤差。


原始設備製造商(OEM)面臨著重大挑戰,因其難以準確地描述雜訊源的特徵,以便透過清晰的元件選擇來進行完整的過濾。如此未明的情況將會影響到完整過濾的執行方式。一般來說,設計工程師會保守地選擇過度設計的離散RC濾波器和IC以保證安全,但最終卻影響解決方案的總成本和成效。


BMS系統整合商和設計工程師還應注意整合到電池監測器中的資料轉換器的類型。例如,在 BMS監測器中,每個通道帶有抽取濾波器的並行Σ – ΔADC來協助抑制雜訊,但每次測量所需的轉換時間較長,反而會影響總電壓測量速度。相比之下,多工SAR ADC轉換器速度較快,不過在所有通道上採樣的電池電壓間存在時間差,導致人們對其同步性有所質疑。


克服電池測量同步的挑戰

同步電池電壓測量無疑對電池電量資料(SOC)演算法的準確度扮演重要角色。該演算法能夠以盡可能小的誤差確定電池的充電狀態。這些演算法在不同OEM之間有所差異,導致電池電壓測量所需的最低同步沒有真正統一的規範。但是,OEM之間已達成共識,訂定標準必須遠低於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作用。如上述,根據BMS監測器的架構和通道數,可透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。


然而,還必須注意菊鏈(Daisy-chain)通訊線路上發生的時間延遲,因為每個BMS監測器都將其數據向下傳輸到主ECU 。此處必須考慮通訊速度和幀協定。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、甚至是100毫秒。這意味著,例如ECU將必須每10毫秒接收與400V系統的電池電壓相關的數據,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。


無須外部元件即能過濾雜訊

為了獲得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,透過最大限度地減少,並最終消除對外部元件的需求來過濾電池管理系統中的雜訊。


BQ79616-Q1透過在ADC測量之前整合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。整合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,整合了後置測量濾波器,以提高ADC轉換後的測量準確度,並提供多種頻率過濾元件供您選擇。整合ADC後,數位低通(Low-pass)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的自動內部電池平衡,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,且以更快的速度執行額外的處理工作。


為了加快所有電池測量結果的交付速度,BQ79616-Q1優化了通訊協定,以便在菊鏈配置中實現快速數據返回,從而更好地減少元件之間的延遲。例如,在採用菊鏈方式連接六個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。這種通訊時間縮短將讓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鏈配置範例
圖2 : 採用德州儀器BQ796XX電池監測器系列的菊鏈配置範例

包含隔離式雙向菊鏈可支援基於電容器和變壓器的隔離,從而允許將最有效的元件用於EV動力系統中常見的集中式或分散式架構。此外,透過隔離式差分菊鏈通訊介面,主機可透過單個介面與整個電池組進行通訊。若發生通訊線路中斷時,菊鏈通訊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訊。


長期的雜訊過濾解決方案

透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準確度,實現通道間測量同步,並減少所有測量返回到主機的時間。此過程同時有助於形成一個優化且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不斷推出。


(本文作者Ivo Marocco為德州儀器行銷和業務發展總監)


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