電池管理系統溫度傳感技術

2019-10-09 16:28:51 來源:EEFOCUS
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作者: Vishay公司非線性電阻器高級營銷經理Bruno Van Beneden,Vishay公司非線性電阻器產品營銷工程師Alain Stas

 

除去許多其他功能之外,電池管理系統 (BMS) 還必須密切監視電池和電池組的電壓、電流和溫度。溫度測量對于保證電池和BMS正常工作,以及最佳健康狀態 (SOH) ,防止性能下降非常重要, 尤其是快速充放電期間。


溫測一般讀取隨溫度變化器件的電壓–大多數情況下是電阻器件,如熱敏電阻或電阻溫度檢測器 (RTD)。熱電偶等其他技術需要冷結補償和適當屏蔽毫伏讀數,而基于二極管/ BJT的溫度傳感器則需要恒定電流激勵。使用NTC熱敏電阻的主要優點是靈敏度高,精度、性價比出色,通用性強。這類器件具有便于接觸測量的特點,是監測每個點或面的最佳溫度傳感選擇。不同接觸溫測技術對比參見表1。熱電耦往往在設計階段使用。
 

表1


在高功率電池組中,由于電池組大小,以及電池組內部熱梯度由單個電池和/或充放電條件決定因此BMS需要多路溫度傳感器輸入,以保證整體最佳性能。


負溫度系數 (NTC熱敏電阻) 具有電阻/溫度非線性指數下降的特性,如圖1和公式1和2所示。

 

圖1

 

 

NTC熱敏電阻的優點是能夠以許多不同方式產生不同的阻值 (R25) 和坡度 (B 值),從 (外置) PCB表面貼裝,螺釘固定高度絕緣的表面傳感器,甚至焊接到接線柱上。


如圖2a所示,用于電阻分壓網絡時,熱敏電阻電壓隨溫度的變化呈S形 (參見圖2b和公式 3)。

                                     

 

 

圖2b中,溫度與Vtherm之間的關系可以通過查找表 (LUT) 或采用算法 (2) + (3) 確立,這樣,ADC 和控制器 IC可應用預定義策略控制電池組不同的充電階段或健康狀態。


作為一個簡單示例,我們可以使用Analog Devices公司的 LTC4071,這是一種鋰離子和鋰聚合物電池組充電器IC,用于能量收集和嵌入式汽車系統。


模擬如圖3所示。原理圖基本上復制Analog Devices公司LTC4071 的 SPICE 宏模型和鋰離子電池模型。
 

圖3   

 

圖 4中的圖形表示模擬結果 (簡化)。鋰離子電池在三種不同電壓條件下開始充電 (通過IC控制):4.2 V滿電;3.6 V 50 %電量;3.0 V 空)。開始時 (時間 0),電池環境溫度為20 °C,逐漸提高到70 °C,然后恢復正常環境溫度。為保證長期穩定性,電動汽車 (EV) 使用的電池組通常在20% 至85% 電量范圍內工作,因此很少在電池4.2 V滿電壓條件下充電,或在低于3.2 V 電池電壓條件下放電。

 

圖4顯示溫度達到不同臨界閾值時BMS的行為。

                                           


圖4


隨著溫度 (以電壓源 V1 表示) 上升,熱敏電阻相應變化,延遲由系統響應時間決定。初始電壓為4.2 V (綠色曲線),當溫度達到不同連續上升閾值時,短時間放電,電池電壓自動逐步下降。初始電壓為3.0 V (紅色曲線),當上升溫度達到第一個閾值時充電停止,當溫度低于一定水平時重新開始充電。

 

表2


為實現電池溫度測量的最佳精度和可重復性,Vishay推出多種NTC熱敏電阻。NTCALUG01T在150 °C條件下使用壽命長達 10, 000小時,高壓/電源連接端子和接線柱感應溫度耐壓達2.7 kV,不同于控制器電路的電壓等級。金屬表面溫度感應的另一個選擇是采用 NTCALUG02 熱敏電阻,其熱梯度小于 0.05 K/K。


電動汽車/混合動力汽車中,BMS可采用不同的溫度傳感策略,主要取決于電池特性、總成設計和控制IC算法。這本身是一種完整的混合學科并正在不斷進化。在這一熱點領域,作為器件制造商,Vishay通過開發多樣化機械執行機構和電氣仿真模型做出自己的貢獻,并將在未來繼續推動這一領域的技術發展。

 

 
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