感測器融合如何提升電池管理系統效能和電池壽命

在針對電動車 (EV)、住宅和公用事業規模電池儲能系統 (BESS) 以及自主移動機器人 (AMR) 等應用設計電池管理系統 (BMS) 時，感測器融合是非常有用的工具。例如，為了達到最大電池效能和使用壽命，充電狀態 (SoC) 和健康狀態 (SoH) 是的重要特性，需要由電池管理系統監控和管理。要掌控電池的充電狀態和健康狀態，可以運用感測器融合技術，即時測量電壓、電流、溫度。

然而，為了達到最佳結果，電池管理系統中的感測器必須高度精確且耐受環境。即使很小的感測器誤差，也會隨著時間的推移累積影響，導致充電狀態和健康狀態的估計不正確。此外，充電狀態和健康狀態的計算還必須考慮充電和放電速率以及電池的溫度歷史。感測器融合可以解決這每一項挑戰。

讓我們快速瞭解充電狀態和健康狀態及其計算方法，包括溫度變化對精確度的影響。接著瞭解感測器融合如何提高電池管理系統的效能，並提供一些可用於汽車和工業電池管理系統設計的電壓、電流、溫度感測器範例。

什麼是充電狀態和健康狀態？

充電狀態就是電池的電量。鋰 (Li) 電池具有非常平坦的放電曲線，並且在放電約 80% 之前的電壓幾乎恆定，因此測量輸出電壓並不是測量充電狀態的有效方法。為了測量充電狀態，電池管理系統需要監控電流並測量電池進出的庫侖。

充電狀態為測定量，健康狀態則用於估計電池現有容量佔新電池容量的百分比。已有許多演算法可估計健康狀態，並且都依賴感測器融合。健康狀態演算法中使用的一些常見參數包括：

• 阻抗
• 自放電率
• 接受充電的能力
• 充／放電循環次數
• 電池壽命
• 電池的溫度歷史記錄
• 充電和放電的累積能量

使用分佈在整個電池系統中的感測器，可實作充電狀態和健康狀態的感測器融合；包括單一電池組中的溫度感測器、多節電池監測器中的電壓和溫度感測器、高壓 (HV) 配電匯流排中的電流監控器，以及主控單元中的集中式高壓偵測與溫度感測器 (圖 1)。為了計算出準確的充電狀態和健康狀態，需要高度準確、長期穩定且能夠在惡劣條件下運作的感測器。

圖 1：在電池管理系統中，需要各種溫度、電壓、電流感測器 (綠框) 支援感測器融合。(圖片來源：Vishay)

幸好 Vishay 提供豐富的元件，可支援您的電池管理系統設計。以下僅列出部分感測器。

高壓匯流排電流偵測

WSLP 系列電阻非常適合用作高壓匯流排電流偵測分流器。支援高溫應用中的高準確度感測，溫度係數低至 75 ppm/°C，熱電動勢 (EMF) 低於 3 μV/°C。電阻值範圍介於 0.0002 至 0.1 Ω。高壓匯流排電流偵測的另一個選擇是 WSBS/WSBM 電源分流器，其電阻值低至 25 μΩ，可處理大於 2 kA 的脈衝。此外， WSK1216 電源金屬條電阻採用四端子設計，容差為 1%，阻值低至 0.0002 Ω。

電壓偵測

MCA1206MD5004BP500 5 MΩ 等薄膜晶片電阻元件可用於主控制單元和電池監測器中的高壓偵測。此系列的汽車級元件提供 1 Ω 至 10 MΩ 的電阻值。其工作溫度範圍為 -55 至 175°C，溫度係數低至 ±10 ppm/K。TNPW 高穩定性薄膜晶片電阻在設計上可用於需要精密和長期穩定的情況。經過 1000 小時壽命測試後，其電阻漂移低至 ≤0.05%。

溫度感測器

Vishay 也提供適合特定電池管理系統應用的各種溫度感測器，例如專為表面溫度感測應用所設計的 NTCALUG 系列接片溫度感測器 (圖 2)。此元件結合電絕緣和固態熱接觸，可在 -40 至 +150°C 範圍內提供準確可靠的測量。

電池監控電路和主控制單元設計可採用 NTCS 系列表面黏著 NTC 熱敏電阻，這些熱敏電阻封裝在玻璃中可達到環保。可在 -40 至 +150°C 內達到高靈敏度和高精密度感測。採用陶瓷技術，並提供三種尺寸：0402、0603、0805。

圖 2：Vishay 提供多種溫度感測器封裝樣式，包括接片 (左) 和表面黏著 (右) NTC 溫度感測器 (未按比例)。(圖片來源：Vishay)

結論

感測器融合在電池管理系統中非常有用，可測量電壓、電流、溫度，進而準確確定電池充電狀態和健康狀態、延長電池壽命並達到最高電池系統效能。如上所述，Vishay 提供全系列耐受環境且精準的感測器，以及其他適合高效能電池管理系統設計的組件。

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