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Analysis of BMS battery management system high-precision current detection 作者：浙江巨磁智能技術(shù)有限公司 在全球環(huán)境保護和可持續發(fā)展議題日益受到重視的背景下，新能源汽車(chē)已逐漸成為未來(lái)交通領(lǐng)域的關(guān)鍵發(fā)展方向。本文主要探討了電池管理系統（BMS）的高精度電流檢測技術(shù)。通過(guò)分析BMS電池管理系統的關(guān)鍵特性，強調了高精度電流檢測對電池性能和安全的重要性。文章介紹了磁通門(mén)技術(shù)的優(yōu)勢及其在高精度電流測量中的應用，指出該技術(shù)在降低零點(diǎn)誤差、提高SOC精度以及系統安全性方面的突出表現。 一、汽車(chē)電動(dòng)化的發(fā)展趨勢 在全球環(huán)境保護和可持續發(fā)展議題日益受到重視的背景下，新能源汽車(chē)已逐漸成為未來(lái)交通領(lǐng)域的關(guān)鍵發(fā)展方向。特別是電動(dòng)汽車(chē)領(lǐng)域的先鋒人物埃隆·馬斯克，他通過(guò)公開(kāi)其首款電動(dòng)汽車(chē)Roadster的全部設計文件，顯著(zhù)促進(jìn)了這一趨勢的發(fā)展。Roadster項目在2008年推出，該車(chē)型采用鋰離子電池技術(shù)，單次充電的續航能力超過(guò)200英里。 特斯拉公司將最初的Roadster項目的設計和工程資料開(kāi)源的決策，體現了其對于知識共享和行業(yè)創(chuàng )新的承諾。馬斯克曾公開(kāi)表示：“我不關(guān)心專(zhuān)利。在我看來(lái)，專(zhuān)利只是競爭力較弱者的保護傘。它們并不能真正促進(jìn)技術(shù)進(jìn)步，反而可能阻礙其他參與者的創(chuàng )新步伐�！边@種開(kāi)放的態(tài)度不僅體現了對技術(shù)進(jìn)步的貢獻，也為整個(gè)電動(dòng)汽車(chē)行業(yè)的發(fā)展注入了新的動(dòng)力。 
圖1 特斯拉公開(kāi)Roadster開(kāi)源資料 （圖片來(lái)自于官網(wǎng)鏈接：特斯拉敞篷跑車(chē)(tesla.com)） 二、BMS電池管理系統的關(guān)鍵特性分析 動(dòng)力電池的工作原理是基于內部的化學(xué)反應，當放電時(shí)，陽(yáng)極發(fā)生氧化反應釋放電子，而陰極發(fā)生還原反應接收電子，電子在外部電路流動(dòng)形成電流供給外部負載,而充電時(shí)，這一過(guò)程反轉。動(dòng)力電池的關(guān)鍵參數包括開(kāi)路電壓（電池在未連接外部負載或充電器時(shí)的電壓）、名義電壓（電池正常工作時(shí)的穩定電壓）、電池容量（電池在一次完整放電過(guò)程中能夠提供的總電量，單位為“A·h”）、內阻（電池內部對電流流動(dòng)的阻礙）及循環(huán)壽命（電池在其性能下降到指定百分比之前可以經(jīng)受的充放電循環(huán)次數）。這些參數決定了電池的性能、效率和使用壽命，是動(dòng)力電池管理系統監控和管理的重要依據。
圖2 常規電動(dòng)汽車(chē)電池管理系統硬件組成 動(dòng)力電池管理系統BMS旨在實(shí)現對電池組的全面管理和監控，其功能非常豐富，能確保在過(guò)充、過(guò)放、過(guò)流和溫度異常等情況下對電池提供即時(shí)保護，避免其受到損害。 埃隆·馬斯克公開(kāi)的文獻資料中展示了特斯拉對電動(dòng)汽車(chē)動(dòng)力系統的深入研究，特別是在電池、電機和電子控制單元等關(guān)鍵電動(dòng)化組件方面的技術(shù)洞察。以下是特斯拉電池管理系統（Battery Management System, BMS）的幾個(gè)核心功能： （1）電壓和電流監控：特斯拉BMS系統持續監測電池組的電壓和電流，以實(shí)時(shí)追蹤電池的充電狀態(tài)（State of Charge, SOC）和健康狀態(tài)（State of Health, SOH）。這種監控對于評估充放電過(guò)程中電池組的能量流動(dòng)至關(guān)重要。 （2）溫度管理：溫度傳感器在電池組內的策略性布局，允許對單個(gè)電池單元和整個(gè)電池組的溫度進(jìn)行精確監控。有效的溫度監控對于保障電池的健康和安全至關(guān)重要，因為溫度極端變化會(huì )對電池性能和壽命產(chǎn)生不利影響。 （3）電池均衡：特斯拉BMS包括電池均衡功能，確保電池組內的每個(gè)電池單元均勻充放電，預防過(guò)充或欠充現象，從而優(yōu)化電池的性能和壽命。 （4）故障檢測與診斷：BMS設計旨在識別和診斷電池組內的任何異�；蚬收蠣顟B(tài)，如電池故障、電壓不平衡、溫度異常等，這些都可能影響電池的性能和安全性。 （5）中央控制單元：作為BMS的核心，中央控制單元負責收集來(lái)自各種傳感器和模塊的數據，處理信息并基于復雜算法做出決策，以?xún)?yōu)化電池的充放電、熱管理和整體性能。 （6）數據記錄與報告：特斯拉BMS還具備數據記錄功能，能夠隨時(shí)間收集和存儲關(guān)于電池性能的關(guān)鍵數據，這些數據對于故障診斷、性能評估和未來(lái)技術(shù)改進(jìn)具有重要價(jià)值。
圖3 Battery Monitor Board–processor電氣原理圖
圖4 Battery Monitor Board–CAN Interface 電氣原理圖 電動(dòng)化趨勢是新能源汽車(chē)發(fā)展的核心, 埃隆·馬斯克通過(guò)公開(kāi)初代Roadster的文件，展示了電動(dòng)汽車(chē)從設計到制造的全過(guò)程，進(jìn)一步推動(dòng)了電動(dòng)化趨勢的發(fā)展。
圖5 儲能系統高壓箱（PDU） BMS系統同樣是儲能系統的重要組成部分之一，可對電池系統進(jìn)行安全、可靠、高效的管理，早期的BMS系統只有檢測電池電壓和溫度的功能，主要是對電池進(jìn)行監測。隨著(zhù)技術(shù)的發(fā)展和對電池安全保護的需要，BMS系統具有了更多的功能，不僅可以監測電池的電壓和溫度，也可以根據電池的狀態(tài)對電池進(jìn)行控制和管理，并且可與儲能變流器(PCS)進(jìn)行協(xié)議兼容，實(shí)現電池簇的充放電管理。主控模塊和從控模塊通過(guò)CAN總線(xiàn)互聯(lián)通信。該BMS系統通過(guò)采集電池模塊單體電芯(支持磷酸鐵鋰、三元鋰)的電壓、溫度，計算出SOC、SOH、最高單體電壓/溫度，最低單體電壓/溫度、絕緣阻值等數據。不僅可以實(shí)現對電芯的被動(dòng)均衡，同時(shí)通過(guò)三級故障保護以及對主回路繼電器的控制，實(shí)現對電芯的過(guò)欠壓、溫度過(guò)高/過(guò)低、充放電過(guò)流等保護。
圖6 儲能電池管理系統采集電池參數誤差及采樣周期要求-《GB/T 34131-2023 電力儲能用電池管理系統》 三、電流檢測技術(shù) BMS是連接新能源車(chē)核心部件電池與整車(chē)的橋梁。受益于新能源車(chē)的發(fā)展，作為核心部件的BMS也得到了飛速的發(fā)展。BMS根據控制的結構不同分為主從式BMS和一體機BMS。無(wú)論哪種控制結構，總電流檢測是必不可少的。 電流傳感器一般會(huì )位于動(dòng)力電池系統高壓盒總成（BDU/PDU）主正或主副回路測量整個(gè)電池包的電流，電流信號會(huì )送到BMS，給BMS做充放電控制，電池SOC估算，以及過(guò)流和過(guò)充的保護。 電流檢測作為動(dòng)力電池管理過(guò)程中的一個(gè)關(guān)鍵參數，電流的采集方案影響到系統成本、采集精度，采集精度直接影響到SOC的精度、電池系統的保護，間接影響到車(chē)輛的續航里程和用戶(hù)體驗： （1）保證安全性； （2）記錄濫用情況信息； （3）用于電池包SOC（state-of-charge）和SOH（state-of-health）估算。 （4）電流量程，電池包峰值電流已可達到1200-1500A； （5）為了提高SOC估算精度，提高電池包的利用率，對傳感器精度要求達到了0.5%； （6）客戶(hù)對于BDU主動(dòng)冷卻和熱控制也提出了一些高要求； （7）電控電壓逐漸從400V提高到800V，以提高電機的工作效率，降低銅損和成本。 常用的電流檢測技術(shù)包括電阻分流器（shunt）采樣和磁通門(mén)傳感器采樣，對應的檢測方式是接觸式測量（分流器）和非接觸式測量（磁通門(mén)）。 分流器（shunt）是根據直流電流通過(guò)電阻時(shí)電阻兩端產(chǎn)生電壓的原理制作而成，分流器實(shí)際就是一個(gè)阻值很小的電阻,其測量簡(jiǎn)單，直流測量精度可以達到比較高的程度，當然，目前也有種帶芯片的分流器測量方式—IVT，是shunt的高級形態(tài)。
圖7 shunt 分流器測量電流的原理比較簡(jiǎn)單，理論依據是歐姆定律I=U/R。 當分流器串聯(lián)在被測電路里，流經(jīng)分流器的電流就等同于電路電流，分流器電阻已知（為了降低功耗，一般是微歐級的電阻），通過(guò)檢測分流器兩端電壓，根據公式R=U/I，計算出所測電流。 所以影響分流器測試精度關(guān)鍵點(diǎn)在于電阻的穩定性。分流器在通過(guò)大電流時(shí)會(huì )產(chǎn)生熱量，使分流器的溫度升高，要保證分流器的檢測精度，生產(chǎn)分流器的材料必須具有較小的溫度漂移，電阻值受溫度的影響較小。由于錳銅具有溫度性能好、溫度漂移小等優(yōu)點(diǎn)，因此常用來(lái)作為生產(chǎn)分流器的材料。傳統的分流器生產(chǎn)采用釬焊的生產(chǎn)工藝。 分流器方式的主要特點(diǎn)為： （1）接觸式測量； （2）分流器在零電流無(wú)偏移，基本不受溫度影響，可以避免庫侖計引起的漂移（但有可能由測量電路引入偏移）； （4）分流器的電阻隨溫度變化而變化，必須進(jìn)行測溫并校準電阻； （5）分流器本身存在能量損失，以熱的形式消散； （6）傳感器為小信號，需放大后進(jìn)行采集，線(xiàn)路需要進(jìn)行EMI保護； 磁通門(mén)電流傳感器是利用被測磁場(chǎng)中高導磁率磁芯在交變磁場(chǎng)的飽和激勵下，其磁感應強度與磁場(chǎng)強度的非線(xiàn)性關(guān)系來(lái)測量弱磁場(chǎng)的。這種物理現象對被測環(huán)境磁場(chǎng)來(lái)說(shuō)好像是一道“門(mén)”，通過(guò)這道“門(mén)”，相應的磁通量即被調制，并產(chǎn)生感應電動(dòng)勢。利用這種現象來(lái)測量電流所產(chǎn)生的磁場(chǎng)，從而間接達到測量電流的目的。 簡(jiǎn)而言之，利用磁芯的飽和現象實(shí)現被測量磁場(chǎng)磁調制，在激勵源的磁化作用下，磁芯發(fā)生周期性飽和和非飽和的變化，完成磁場(chǎng)測量過(guò)程，達到對電流進(jìn)行間接測量的目的。 為什么磁通門(mén)電流傳感器更適合BMS高精度電流測量？ 針對BMS電池SOC估算來(lái)說(shuō)，和增益誤差相比，零點(diǎn)誤差是一個(gè)更重要的參數，因為在SOC估算時(shí)會(huì )產(chǎn)生比較明顯的累計誤差，嚴重影響SOC的精度，磁通門(mén)技術(shù)擁有極低的零點(diǎn)誤差的同時(shí)，可以做到0.5%精度，能夠保證不管是你在大電流放電還是在小電流充電的過(guò)程中，都保持極其高的SOC精度。 磁通門(mén)技術(shù)的另一顯著(zhù)優(yōu)勢是它不需要考慮發(fā)熱的問(wèn)題，也沒(méi)有過(guò)流過(guò)載的限制，具備無(wú)限的過(guò)流能力，也避免了分流器電阻片發(fā)熱帶來(lái)的老化問(wèn)題。 同時(shí)使用更簡(jiǎn)單，我們的磁通門(mén)電流傳感器是直接CAN信號輸出，不需要客戶(hù)系統層面做額外的標定和校準，幫客戶(hù)節省很多開(kāi)發(fā)成本和時(shí)間，也避免了用分流器做需要額外的溫度補償和標定。 再者它跟高壓總線(xiàn)是隔離的，可以保證系統安全。 綜上所述，磁通門(mén)是最適合高性能電池管理系統（BMS）電流測量的技術(shù)路線(xiàn)。 四、 電流檢測方案 在實(shí)際應用中可以使用CSM系列電流傳感器，基于其自主知識產(chǎn)權iFluxgate®技術(shù)，具有高精度、低溫漂、發(fā)熱量低、響應速度快、模塊化設計等特點(diǎn)。通過(guò)了CE、RoHS認證，能夠準確獲取充放電電流，有效優(yōu)化傳統的充放電方式，延長(cháng)電池使用壽命，節約能量。電流量程有500A和1500A，覆蓋小型乘用車(chē)和中大型商用車(chē)，該系列電流傳感器可廣泛應用于需要精確測量電流的電池管理（SOC、SOE、SOF等）等應用場(chǎng)合，以及純電動(dòng)車(chē)、插電混合動(dòng)力汽車(chē)及儲能設備等領(lǐng)域，如新能源電動(dòng)汽車(chē)的PACK、BMS、BDU、PDU等。
圖8 CSM系列電流傳感器參數
圖9 CSM系列電流傳感器應用場(chǎng)景 |
