淺談電池管理系統溫度感測技術

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。 溫度測量對於保證電池和 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。

一、

溫測技術簡介：

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遮罩毫伏讀數，而基於二極體 /BJT 的溫度感測器則需要恆定電流激勵。 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。 這類元件具有便於接觸測量的特點，是監測每個點或面的最佳溫度感測選擇。 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。

在高功率電池組中，由於電池組大小，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 需要多路溫度感測器輸入，以保證整體最佳性能。

負溫度係數 （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。

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感測器，甚至焊接到接線柱上。

如 圖2a 所示，用於電阻分壓網路時，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 V_therm 之間的關係可以通過查找表 （LUT） 或採用 演算法（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。

二、

案例分析：

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，用於能量收集和嵌入式汽車系統。

原理圖設計

類比如 圖3 所示。 原理圖基本上複製 Analog Devices 公司 LTC4071 的 SPICE 宏模型和鋰離子電池模型。

簡化後的模擬結果 

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）：4.2V滿電; 3.6V 50% 電量; 3.0V 空）。 開始時 （時間 0），電池環境溫度為 20°C，逐漸提高到 70°C，然後恢復正常環境溫度。 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% 電量範圍內工作，因此很少在電池 4.2V 滿電壓條件下充電，或在低於 3.2V 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。

隨著溫度 （以電壓源 V1 表示） 上升，熱敏電阻相應變化，延遲由系統回應時間決定。 初始電壓為 4.2V （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 3.0V （紅色曲線），當上升溫度達到第一個閾值時充電停止，當溫度低於一定水準時重新開始充電。

三、

更多可選方案：

為實現電池溫度測量的最佳精度和可重複性，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 2.7kV，不同於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採用NTCALUG02熱敏電阻，其熱梯度小於0.05K/K。

電動汽車/混合動力汽車中，BMS 可採用不同的溫度感測策略，主要取決於電池特性、總成設計和控制IC演算法。 這本身是一種完整的混合學科並正在不斷進化。 在這一熱點領域，作為器件製造商，Vishay 通過開發多樣化機械執行機構和電氣模擬模型做出自己的貢獻，並將在未來繼續推動這一領域的技術發展。