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动力电池参数数据采集及状态估计
纯电动汽车的主要能量来源为动力电池系统，其性能直接影响整车的经济性、动力性和可靠性。电动汽车与传统燃油汽车最大的区别是用动力电池作为动力驱动，而作为衔接电池组、整车系统和电机的重要纽带，电池管理系统(BMS)的重要性不言而喻。完善的 BMS能够有效提高电池的利用率，防止电池出现过充电和过放电，并且延长电池的使用寿命，监控电池组及各电池单芯的运行状态，有效预防电池组自燃，实现突发事件预警，为保障安全赢得时间。
笔者在梳理电池管理系统开发过程中的关键技术，为动力电池管理系统设计，测试生产提供理论基础。计划分为5个篇章来整理电池管理系统的开发中关键技术，今天首先聊一下第三篇章动力电池参数数据采集及状态估计。
图1 电池管理系统开发过程中的关键技术
电池管理系统最基本的核心任务是对动力电池的状态进行估计判断，包括预测锂离子电池SOC、SOH、SOP，从而有效的保护电池安全和延长锂离子电池使用寿命。锂离子状态估计要分基于精确的电池数据采集。动力电池信息采样如下：
图2 动力电池数据采集种类
如图2锂离子动力电池数据采集包括基础信息采样，功能扩展采样，电安全采样等三大类信息。
单体电压采集方法
图3 单体电压采集方法
如图3是单体电压采集方法，单体电压采集难点：高共模电压，高精度要求，高采样速率要求和高可靠性。单体电压采样精度在+/-0.5%，单体电压采样+/-2mv，温度采样+/-1℃。
常用到的方法隔离运放采集法。
单体温度采集方法
如图4 电池温度采集方法，电池温度采集方法需要注意以下两点：
● 高温区的分辨率问题，
● NTC绝缘破坏后对系统的影响。
图4 电池温度采集方法
如图5是目前市面上各个芯片厂提供温度和电压采集精度和通道数量。
图5 各大主流集成器件方案参数对比
电池电流采集方法
如图6是目前主机厂采用电流采集方法，目前分流器方法应用的较为广泛。主要原理是通过采集分流器电阻两端的电压，通过计算已知阻值，进行电路电流大小的判断。因此分流器方法会消耗一部分能量，对电池能量存在一定的消耗。由于串联在主回路上，需要注意电气隔离的设计。
图6 主机厂采用电流采集方法
电池的高压测量
随着电动汽车电池组电压的不断提升，其总电压普遍在300V至1000V 之间，控制器的只能通过传感器间接采集。常用的采集总电压的方法大致分为4种：
● 分压法
对总电压进行电阻分压，降低电压后利用AD采集电路直接采集，由于电阻直接连入电池组正负极，需要考虑电气隔离，也由于电阻发热产生精度以及漂移问题，因此这种方法的采样精度较低，而且为保证安全必须实现隔离。
● 差分比例电路法
该方法通过差分比例电路对总电压进行线性缩小并采样，采样信号会由于电路元件的对称性问题引发共模干扰，影响测量精度。
● 电压传感器法
该方法采用霍尔式电压传感器对总电压进行隔离采集，使用时霍尔电压传感器通过采样电阻将电压信号转换为电流信号，由于采样回路中漏电流的存在，同时信号转换的精度也对采样结果有影响。
● 单体电池电压累加法
BMS 中必须采集每块电池单体的电压，利用单体累加方法简单易行，但是由于每块单体电压采集都会存在误差，在电池电压的累加后，难免会累计更大误差。单体电池电压数据的干扰可以通过选择更优的采集电路降低，但累加误差仍然是不能忽视的问题，而且由于电池单体采样时间问题，获得总电压的实时性较差。
总结
1.由于电动汽车工况复杂，来自电机、DC/DC 转换器等大功率设备的干扰会让高精度采集电路的设计变得更加困难。因此在考虑成本和效率的情况下，单体电压温度和电流电压的采集方法的单独使用无法让 BMS 取得精确的高压采集数据，因此在设计过程中需要考虑综合使用。
2.在获取单体电池信息状态之后，需要建立了包含电压、SOC 和单体峰值电流的多约束条件的多采样间隔持续峰值功率数学模型，要考虑实现电池状态SOC/SOP/SOE/SOH的联合估计。
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