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Analysis of BMS battery management system high-precision current detection 作者：浙江巨磁智能技術有限公司 在全球環境保護和可持續發展議題日益受到重視的背景下，新能源汽車已逐漸成為未來交通領域的關鍵發展方向。本文主要探討了電池管理系統（BMS）的高精度電流檢測技術。通過分析BMS電池管理系統的關鍵特性，強調了高精度電流檢測對電池性能和安全的重要性。文章介紹了磁通門技術的優勢及其在高精度電流測量中的應用，指出該技術在降低零點誤差、提高SOC精度以及系統安全性方面的突出表現。 一、汽車電動化的發展趨勢 在全球環境保護和可持續發展議題日益受到重視的背景下，新能源汽車已逐漸成為未來交通領域的關鍵發展方向。特別是電動汽車領域的先鋒人物埃隆·馬斯克，他通過公開其首款電動汽車Roadster的全部設計文件，顯著促進了這一趨勢的發展。Roadster項目在2008年推出，該車型采用鋰離子電池技術，單次充電的續航能力超過200英里。 特斯拉公司將最初的Roadster項目的設計和工程資料開源的決策，體現了其對于知識共享和行業創新的承諾。馬斯克曾公開表示：“我不關心專利。在我看來，專利只是競爭力較弱者的保護傘。它們并不能真正促進技術進步，反而可能阻礙其他參與者的創新步伐�！边@種開放的態度不僅體現了對技術進步的貢獻，也為整個電動汽車行業的發展注入了新的動力。 
圖1 特斯拉公開Roadster開源資料 （圖片來自于官網鏈接：特斯拉敞篷跑車(tesla.com)） 二、BMS電池管理系統的關鍵特性分析 動力電池的工作原理是基于內部的化學反應，當放電時，陽極發生氧化反應釋放電子，而陰極發生還原反應接收電子，電子在外部電路流動形成電流供給外部負載,而充電時，這一過程反轉。動力電池的關鍵參數包括開路電壓（電池在未連接外部負載或充電器時的電壓）、名義電壓（電池正常工作時的穩定電壓）、電池容量（電池在一次完整放電過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的阻礙）及循環壽命（電池在其性能下降到指定百分比之前可以經受的充放電循環次數）。這些參數決定了電池的性能、效率和使用壽命，是動力電池管理系統監控和管理的重要依據。
圖2 常規電動汽車電池管理系統硬件組成 動力電池管理系統BMS旨在實現對電池組的全面管理和監控，其功能非常豐富，能確保在過充、過放、過流和溫度異常等情況下對電池提供即時保護，避免其受到損害。 埃隆·馬斯克公開的文獻資料中展示了特斯拉對電動汽車動力系統的深入研究，特別是在電池、電機和電子控制單元等關鍵電動化組件方面的技術洞察。以下是特斯拉電池管理系統（Battery Management System, BMS）的幾個核心功能： （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，以實時追蹤電池的充電狀態（State of Charge, SOC）和健康狀態（State of Health, SOH）。這種監控對于評估充放電過程中電池組的能量流動至關重要。 （2）溫度管理：溫度傳感器在電池組內的策略性布局，允許對單個電池單元和整個電池組的溫度進行精確監控。有效的溫度監控對于保障電池的健康和安全至關重要，因為溫度極端變化會對電池性能和壽命產生不利影響。 （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電池單元均勻充放電，預防過充或欠充現象，從而優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常或故障狀態，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，以優化電池的充放電、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，能夠隨時間收集和存儲關于電池性能的關鍵數據，這些數據對于故障診斷、性能評估和未來技術改進具有重要價值。
圖3 Battery Monitor Board–processor電氣原理圖
圖4 Battery Monitor Board–CAN Interface 電氣原理圖 電動化趨勢是新能源汽車發展的核心, 埃隆·馬斯克通過公開初代Roadster的文件，展示了電動汽車從設計到制造的全過程，進一步推動了電動化趨勢的發展。
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，主要是對電池進行監測。隨著技術的發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對電池進行控制和管理，并且可與儲能變流器(PCS)進行協議兼容，實現電池簇的充放電管理。主控模塊和從控模塊通過CAN總線互聯通信。該BMS系統通過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。不僅可以實現對電芯的被動均衡，同時通過三級故障保護以及對主回路繼電器的控制，實現對電芯的過欠壓、溫度過高/過低、充放電過流等保護。
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 BMS是連接新能源車核心部件電池與整車的橋梁。受益于新能源車的發展，作為核心部件的BMS也得到了飛速的發展。BMS根據控制的結構不同分為主從式BMS和一體機BMS。無論哪種控制結構，總電流檢測是必不可少的。 電流傳感器一般會位于動力電池系統高壓盒總成（BDU/PDU）主正或主副回路測量整個電池包的電流，電流信號會送到BMS，給BMS做充放電控制，電池SOC估算，以及過流和過充的保護。 電流檢測作為動力電池管理過程中的一個關鍵參數，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，間接影響到車輛的續航里程和用戶體驗： （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）客戶對于BDU主動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包括電阻分流器（shunt）采樣和磁通門傳感器采樣，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）。 分流器（shunt）是根據直流電流通過電阻時電阻兩端產生電壓的原理制作而成，分流器實際就是一個阻值很小的電阻,其測量簡單，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。
圖7 shunt 分流器測量電流的原理比較簡單，理論依據是歐姆定律I=U/R。 當分流器串聯在被測電路里，流經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鍵點在于電阻的穩定性。分流器在通過大電流時會產生熱量，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、溫度漂移小等優點，因此常用來作為生產分流器的材料。傳統的分流器生產采用釬焊的生產工藝。 分流器方式的主要特點為： （1）接觸式測量； （2）分流器在零電流無偏移，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，需放大后進行采集，線路需要進行EMI保護； 磁通門電流傳感器是利用被測磁場中高導磁率磁芯在交變磁場的飽和激勵下，其磁感應強度與磁場強度的非線性關系來測量弱磁場的。這種物理現象對被測環境磁場來說好像是一道“門”，通過這道“門”，相應的磁通量即被調制，并產生感應電動勢。利用這種現象來測量電流所產生的磁場，從而間接達到測量電流的目的。 簡而言之，利用磁芯的飽和現象實現被測量磁場磁調制，在激勵源的磁化作用下，磁芯發生周期性飽和和非飽和的變化，完成磁場測量過程，達到對電流進行間接測量的目的。 為什么磁通門電流傳感器更適合BMS高精度電流測量？ 針對BMS電池SOC估算來說，和增益誤差相比，零點誤差是一個更重要的參數，因為在SOC估算時會產生比較明顯的累計誤差，嚴重影響SOC的精度，磁通門技術擁有極低的零點誤差的同時，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程中，都保持極其高的SOC精度。 磁通門技術的另一顯著優勢是它不需要考慮發熱的問題，也沒有過流過載的限制，具備無限的過流能力，也避免了分流器電阻片發熱帶來的老化問題。 同時使用更簡單，我們的磁通門電流傳感器是直接CAN信號輸出，不需要客戶系統層面做額外的標定和校準，幫客戶節省很多開發成本和時間，也避免了用分流器做需要額外的溫度補償和標定。 再者它跟高壓總線是隔離的，可以保證系統安全。 綜上所述，磁通門是最適合高性能電池管理系統（BMS）電流測量的技術路線。 四、 電流檢測方案 在實際應用中可以使用CSM系列電流傳感器，基于其自主知識產權iFluxgate®技術，具有高精度、低溫漂、發熱量低、響應速度快、模塊化設計等特點。通過了CE、RoHS認證，能夠準確獲取充放電電流，有效優化傳統的充放電方式，延長電池使用壽命，節約能量。電流量程有500A和1500A，覆蓋小型乘用車和中大型商用車，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）等應用場合，以及純電動車、插電混合動力汽車及儲能設備等領域，如新能源電動汽車的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景 |
