传感器融合如何提高电池管理系统性能和电池寿命

在为电动汽车 (EV)、住宅和公用事业级电池储能系统 (BESS) 以及自主移动机器人 (AMR) 等应用设计电池管理系统 (BMS) 时，传感器融合是一种非常有用的方式。例如，为了最大限度地提高电池性能和使用寿命，电量状态 (SoC) 和健康状态 (SoH) 是 BMS 需要监控和管理的重要特征。要掌握电池的 SoC 和 SoH 状态，就可以采用传感器融合技术，将电压、电流和温度测量实时结合起来。

在为电动汽车 (EV)、住宅和公用事业级电池储能系统 (BESS) 以及自主移动机器人 (AMR) 等应用设计电池管理系统 (BMS) 时，传感器融合是一种非常有用的方式。例如，为了最大限度地提高电池性能和使用寿命，电量状态 (SoC) 和健康状态 (SoH) 是 BMS 需要监控和管理的重要特征。要掌握电池的 SoC 和 SoH 状态，就可以采用传感器融合技术，将电压、电流和温度测量实时结合起来。
不过，要想获得最佳效果，BMS 中的传感器必须高度精确，且要符合环保要求。即使是微小的传感器误差也会随着时间的推移而产生累积效应，导致对 SoC 和 SoH 的估计错误。此外，SoC 和 SoH 的计算必须考虑充电和放电的速率以及电池的温度历史。这些挑战都可以通过传感器融合来解决。
让我们快速了解一下 SoC 和 SoH 的含义及其计算方法，以及温度变化对其精度的影响。然后了解传感器融合如何提高 BMS 性能，并举例说明可用于汽车和工业 BMS 设计的电压、电流和温度传感器。
什么是 SoC 和 SoH？
SoC 是指电池中电的量。锂 (Li) 电池的放电曲线非常平缓，其电压在放电约 80% 之前几乎是恒定的，因此测量输出电压并不是测量 SoC 的有效方法。要测量 SoC，BMS 需要监控电流并测量进出电池的库仑数。
SoC 是一个测量值，而 SoH 则是电池现有容量占新电池容量百分比的估计值。目前已开发出许多估算 SoH 的算法，所有算法都依赖于传感器融合。SoH 算法中使用的一些常用参数包括：
· 阻抗
· 自放电率
· 接受充电的能力
· 充电/放电次数
· 电池使用年限
· 电池的温度历史
· 累计充放电的电量
SoC 和 SoH 的传感器融合是通过分布在整个电池系统中的传感器实现的，包括单个电池组中的温度传感器、多芯电池监控器中的电压和温度传感器、高压 (HV) 配电总线中的电流监控器以及主控单元中的集中式高压检测和温度传感器（图 1）。要实现精确的 SoC 和 SoH 计算，就需要传感器具有高精确度和长期稳定性，并能在恶劣条件下工作。

图 1：需要各种温度、电压和电流传感器（绿色方框）来支持 BMS 中的传感器融合。（图片来源：Vishay）

好消息是，Vishay 提供了广泛的元件来支持您的 BMS 设计活动。以下传感器只是冰山之一角。
高压母线电流检测
WSLP 系列电阻器非常适合用作高压母线电流检测分流器。它们在高温应用中支持高精度检测，温度系数低至每摄氏度百万分之 75 (ppm/°C)，热电动势 (EMF) 低于每摄氏度 3 微伏 (µV)。其阻值从 0.0002 到 0.1 欧姆 (Ω) 不等。另一种高压母线电流检测选择是 WSBS/WSBM 大功率分流器，其阻值低至 25 微欧 (µΩ)，可处理大于 2 千安培 (kA) 的脉冲。此外，WSK1216 大功率金属带状电阻器采用四端子设计，容差为 1%，阻值低至 0.0002 Ω。
电压检测
像 MCA1206MD5004BP500 5 兆欧 (MΩ) 器件这样的薄膜片式电阻器，可在主控单元和电池监控器中用于高压检测。该系列汽车级器件提供的阻值范围从 1 Ω 到 10 MΩ。其工作温度范围为 -55 至 175°C，温度系数低至 ±10 ppm 每开尔文 (ppm/K)。TNPW 高稳定性、薄膜片式电阻器专为需要高精度和长期稳定性的场合而设计。经过 1000 小时寿命测试后，其电阻漂移率低至 ≤0.05%。
温度传感器
Vishay 还提供适合特定 BMS 应用的各种温度传感器，例如专为表面温度传感应用而设计的 NTCALUG 系列耳片式温度传感器（图 2）。它们结合了电气绝缘和固体热接触特性，可在 -40 至 +150°C 范围内提供准确、可靠的测量。
NTCS 系列表面贴装 NTC 热敏电阻采用玻璃封装，具有环保性能，可为电池监控电路和主控制单元设计带来优势。这些热敏电阻可在 -40 至 +150°C 温度范围内实现高灵敏度、高精度检测。它们采用陶瓷技术，有三种尺寸可供选择： 0402、0603 和 0805。

图 2：Vishay 提供多种温度传感器封装样式，包括耳片式（左）和表面贴装式（右）NTC 温度传感器（未按比例）。（图片来源：Vishay）

结语
传感器融合在 BMS 中非常有用，可用于测量电压、电流和温度，从而准确确定电池的 SoC 和 SoH，延长电池寿命，最大限度地提高电池系统性能。如上所述，Vishay 可提供适用于高性能 BMS 设计的全系列环保型精密传感器以及其他元件。