“在為電動汽車 (EV)、住宅和公用事業級電池儲能系統 (BESS) 以及自主移動機器人 (AMR) 等應用設計電池管理系統 (BMS) 時，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 (SoC) 和健康狀態 (SoH) 是 BMS 需要監控和管理的重要特征。要掌握電池的 SoC 和 SoH 狀態，就可以采用傳感器融合技術，將電壓、電流和溫度測量實時結合起來。


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在為電動汽車 (EV)、住宅和公用事業級電池儲能系統 (BESS) 以及自主移動機器人 (AMR) 等應用設計電池管理系統 (BMS) 時，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 (SoC) 和健康狀態 (SoH) 是 BMS 需要監控和管理的重要特征。要掌握電池的 SoC 和 SoH 狀態，就可以采用傳感器融合技術，將電壓、電流和溫度測量實時結合起來。


不過，要想獲得最佳效果，BMS 中的傳感器必須高度精確，且要符合環保要求。即使是微小的傳感器誤差也會隨著時間的推移而產生累積效應，導致對 SoC 和 SoH 的估計錯誤。此外，SoC 和 SoH 的計算必須考慮充電和放電的速率以及電池的溫度歷史。這些挑戰都可以通過傳感器融合來解決。


讓我們快速了解一下 SoC 和 SoH 的含義及其計算方法，以及溫度變化對其精度的影響。然后了解傳感器融合如何提高 BMS 性能，并舉例說明可用于汽車和工業 BMS 設計的電壓、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，因此測量輸出電壓并不是測量 SoC 的有效方法。要測量 SoC，BMS 需要監控電流并測量進出電池的庫侖數。


SoC 是一個測量值，而 SoH 則是電池現有容量占新電池容量百分比的估計值。目前已開發出許多估算 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包括：


· 阻抗
· 自放電率
· 接受充電的能力
· 充電/放電次數
· 電池使用年限
· 電池的溫度歷史
· 累計充放電的電量


SoC 和 SoH 的傳感器融合是通過分布在整個電池系統中的傳感器實現的，包括單個電池組中的溫度傳感器、多芯電池監控器中的電壓和溫度傳感器、高壓 (HV) 配電總線中的電流監控器以及主控單元中的集中式高壓檢測和溫度傳感器（圖 1）。要實現精確的 SoC 和 SoH 計算，就需要傳感器具有高精確度和長期穩定性，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）來支持 BMS 中的傳感器融合。（圖片來源：Vishay）


好消息是，Vishay 提供了廣泛的元件來支持您的 BMS 設計活動。以下傳感器只是冰山之一角。


高壓母線電流檢測


WSLP 系列電阻器非常適合用作高壓母線電流檢測分流器。它們在高溫應用中支持高精度檢測，溫度系數低至每攝氏度百萬分之 75 (ppm/°C)，熱電動勢 (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計，容差為 1%，阻值低至 0.0002 Ω。


電壓檢測


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控器中用于高壓檢測。該系列汽車級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，溫度系數低至 ±10 ppm 每開爾文 (ppm/K)。TNPW 高穩定性、薄膜片式電阻器專為需要高精度和長期穩定性的場合而設計。經過 1000 小時壽命測試后，其電阻漂移率低至 ≤0.05%。


溫度傳感器


Vishay 還提供適合特定 BMS 應用的各種溫度傳感器，例如專為表面溫度傳感應用而設計的 NTCALUG 系列耳片式溫度傳感器（圖 2）。它們結合了電氣絕緣和固體熱接觸特性，可在 -40 至 +150°C 范圍內提供準確、可靠的測量。


NTCS 系列表面貼裝 NTC 熱敏電阻采用玻璃封裝，具有環保性能，可為電池監控電路和主控制單元設計帶來優勢。這些熱敏電阻可在 -40 至 +150°C 溫度范圍內實現高靈敏度、高精度檢測。它們采用陶瓷技術，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）。（圖片來源：Vishay）


結語


傳感器融合在 BMS 中非常有用，可用于測量電壓、電流和溫度，從而準確確定電池的 SoC 和 SoH，延長電池壽命，最大限度地提高電池系統性能。如上所述，Vishay 可提供適用于高性能 BMS 設計的全系列環保型精密傳感器以及其他元件。