電池是否可靠對於現(xiàn)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(shù)據(jù)採集以及將其傳輸?shù)街魈幚砥鞯母唠s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(xiàn)同步化。

圖1 : 電池單元監(jiān)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(tài)、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(zhàn)，德州儀器的電池監(jiān)測器和平衡器產品組合旨在透過整合雜訊過濾來實現(xiàn)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(tǒng)的雜訊，包括電池電壓、溫度和電流的測量以及數(shù)據(jù)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(shù)十赫茲到幾百兆赫茲不等，可能影響到被監(jiān)測的訊號品質。因此無論雜訊來自何處，為了實現(xiàn)高性能，必須消除雜訊或至少抑制多數(shù)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(tǒng)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(zhàn)，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(zhí)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(tǒng)整合商和設計工程師還應注意整合到電池監(jiān)測器中的資料轉換器的類型。例如，在 BMS監(jiān)測器中，每個通道帶有抽取濾波器的並行Σ – ΔADC來協(xié)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(zhàn)

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(tài)。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(tǒng)一的規(guī)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(jiān)測器可同時測量的多個電池的數(shù)量也發(fā)揮作用。如上述，根據(jù)BMS監(jiān)測器的架構和通道數(shù)，可透過在每個通道上安裝一個ADC（例如Σ - Δ）來實現(xiàn)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(fā)生的時間延遲，因為每個BMS監(jiān)測器都將其數(shù)據(jù)向下傳輸?shù)街鱁CU 。此處必須考慮通訊速度和幀協(xié)定。就此要求而言，OEM廠商之間並未統(tǒng)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(tǒng)的電池電壓相關的數(shù)據(jù)，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(yōu)化的解決方案，德州儀器借助其汽車電池監(jiān)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(tǒng)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(tǒng)能夠在電池單元輸入通道上實現(xiàn)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(shù)位低通（Low-pass）濾波器可實現(xiàn)類似直流的電壓測量，以實現(xiàn)更佳的SOC計算。德州儀器監(jiān)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(jiān)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(zhí)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(yōu)化了通訊協(xié)定，以便在菊鏈配置中實現(xiàn)快速數(shù)據(jù)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(tǒng)中，電壓測量可在2.5ms內返回到系統(tǒng)、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(zhí)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(jiān)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(tǒng)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(fā)生通訊線路中斷時，菊鏈通訊介面可配置為環(huán)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(xiàn)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(yōu)化且具有成本效益的解決方案，以幫助OEM在SOC和健康狀態(tài)（SOH）計算目標上實現(xiàn)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(yè)務發(fā)展總監(jiān))