作者: Vishay 公司非线性电阻器高级营销经理 Bruno Van Beneden,Vishay 公司非线性电阻器产品营销工程师 Alain Stas

 

除去许多其他功能之外,电池管理系统 (BMS) 还必须密切监视电池和电池组的电压、电流和温度。温度测量对于保证电池和 BMS 正常工作,以及最佳健康状态 (SOH) ,防止性能下降非常重要, 尤其是快速充放电期间。


温测一般读取随温度变化器件的电压–大多数情况下是电阻器件,如热敏电阻或电阻温度检测器 (RTD)。热电偶等其他技术需要冷结补偿和适当屏蔽毫伏读数,而基于二极管 / BJT 的温度传感器则需要恒定电流激励。使用 NTC 热敏电阻的主要优点是灵敏度高,精度、性价比出色,通用性强。这类器件具有便于接触测量的特点,是监测每个点或面的最佳温度传感选择。不同接触温测技术对比参见表 1。热电耦往往在设计阶段使用。
 

表 1


在高功率电池组中,由于电池组大小,以及电池组内部热梯度由单个电池和 / 或充放电条件决定因此 BMS 需要多路温度传感器输入,以保证整体最佳性能。


负温度系数 (NTC 热敏电阻) 具有电阻 / 温度非线性指数下降的特性,如图 1 和公式 1 和 2 所示。

 

图 1

 

 

NTC 热敏电阻的优点是能够以许多不同方式产生不同的阻值 (R25) 和坡度 (B 值),从 (外置) PCB 表面贴装,螺钉固定高度绝缘的表面传感器,甚至焊接到接线柱上。


如图 2a 所示,用于电阻分压网络时,热敏电阻电压随温度的变化呈 S 形 (参见图 2b 和公式 3)。

                                     

 

 

图 2b 中,温度与 Vtherm之间的关系可以通过查找表 (LUT) 或采用算法 (2) + (3) 确立,这样,ADC 和控制器 IC 可应用预定义策略控制电池组不同的充电阶段或健康状态。


作为一个简单示例,我们可以使用 Analog Devices 公司的 LTC4071,这是一种锂离子和锂聚合物电池组充电器 IC,用于能量收集和嵌入式汽车系统。


模拟如图 3 所示。原理图基本上复制 Analog Devices 公司 LTC4071 的 SPICE 宏模型和锂离子电池模型。
 

图 3   

 

图 4 中的图形表示模拟结果 (简化)。锂离子电池在三种不同电压条件下开始充电 (通过 IC 控制):4.2 V 满电;3.6 V 50 %电量;3.0 V 空)。开始时 (时间 0),电池环境温度为 20 °C,逐渐提高到 70 °C,然后恢复正常环境温度。为保证长期稳定性,电动汽车 (EV) 使用的电池组通常在 20% 至 85% 电量范围内工作,因此很少在电池 4.2 V 满电压条件下充电,或在低于 3.2 V 电池电压条件下放电。

 

图 4 显示温度达到不同临界阈值时 BMS 的行为。

                                           


图 4


随着温度 (以电压源 V1 表示) 上升,热敏电阻相应变化,延迟由系统响应时间决定。初始电压为 4.2 V (绿色曲线),当温度达到不同连续上升阈值时,短时间放电,电池电压自动逐步下降。初始电压为 3.0 V (红色曲线),当上升温度达到第一个阈值时充电停止,当温度低于一定水平时重新开始充电。

 

表 2


为实现电池温度测量的最佳精度和可重复性,Vishay 推出多种 NTC 热敏电阻。NTCALUG01T 在 150 °C 条件下使用寿命长达 10, 000 小时,高压 / 电源连接端子和接线柱感应温度耐压达 2.7 kV,不同于控制器电路的电压等级。金属表面温度感应的另一个选择是采用 NTCALUG02 热敏电阻,其热梯度小于 0.05 K/K。


电动汽车 / 混合动力汽车中,BMS 可采用不同的温度传感策略,主要取决于电池特性、总成设计和控制 IC 算法。这本身是一种完整的混合学科并正在不断进化。在这一热点领域,作为器件制造商,Vishay 通过开发多样化机械执行机构和电气仿真模型做出自己的贡献,并将在未来继续推动这一领域的技术发展。