主頁 > 新聞動態 > 傳感器技術在電（diàn）池管理係統中的應用（yòng）及發展（zhǎn）趨勢 2022-03-04

傳感器技術（shù）在電池管理係統中的應用及發展趨勢

車載蓄（xù）電池作為新（xīn）能源電動汽車的核心，直接關係到車輛壽命、行駛裏程、車輛經濟性、安全性，這一（yī）切又取決於電池（chí）管理係統的性能。而電池管理係統監控的準確性、執行動作可靠性則依賴各類（lèi）傳感器（qì），故對於傳感器技（jì）術的研（yán）究與分析（xī）尤為必要。
電池管理係統是監控車用蓄電池的電壓、電流、負載、溫度等（děng）狀態，並能為其提（tí）供安（ān）全、通信、電芯均衡和管理控製，提（tí）供同應用設備通（tōng）信接口的係統。BMS具備監控蓄電池係統總電壓、電流數據，獲取單體電池、電芯組、電池模（mó）塊電壓，掌握電池包內溫及其形態等數據。它主要由3個部分構成，包括硬件架構、底層軟件以及應用軟件。
BMS中主要應用的傳（chuán）感器：有電流傳感（gǎn）器、溫濕度傳感器、電壓傳感（gǎn）器、位置傳感器和氣體傳感器。
1、霍爾（ěr）電流傳感器：
霍（huò）爾效應傳感器變（biàn）化的磁場轉為變化的電壓，其屬於間接測量。可分為開環式、閉環式兩類，後者精（jīng）度較高。霍（huò）爾（ěr）電流傳感（gǎn）器簡化了電路，僅要（yào）連通直（zhí）流電源正負極（jí），將被測電流母線穿過傳感器便完成主電路和控製電路的隔離檢測，如（rú）圖4所示。傳感器輸出信號為副邊電流（liú），和原（yuán）邊電（diàn）流(輸入（rù）信號)成正（zhèng）比，數值較小（xiǎo），需進行A/D轉（zhuǎn）換。霍爾電流傳感器集互感器、分流器優點於一身且結構更為簡單，但易受（shòu）幹擾，已不（bú）適（shì）用（yòng）於（yú）越來越精密（mì）複雜的新能源電動車電源環境。
2、磁通門電流傳感器
磁通門原理即為易飽（bǎo）和磁芯在激勵電流影（yǐng）響下，激勵電（diàn）流大小改變電感強度（dù），進（jìn）而（ér）改變磁通量大小，磁通量則如（rú）同門那樣打開或者閉合。
普通霍爾電流傳感器精（jīng）度在0.5%～2%之間，而磁通門電流（liú）傳感器利用磁通門原理製作而成，精度能夠達到（dào）0.1%甚至更（gèng）高，因此也（yě）稱之為高精度（dù）電流傳感器。結構上有也有開口型和不開口型兩類，即有開環和閉環兩類。此處著重介紹閉環磁通門電流傳感器，即放（fàng）大磁通（tōng）門激（jī）勵電流二次諧（xié）波信號，驅動補償線（xiàn）圈，使聚磁磁芯的磁通和原邊電流的磁通相抵消，保（bǎo）持“零（líng）磁通”狀（zhuàng）態;對於HPIT係列磁通並不為零，是一種無二次諧波的對稱形狀。
磁通門電（diàn）流傳感器從結構上分為4類，分別是單磁環、雙磁（cí）環、雙磁環(屏蔽)、多磁環(嵌套)。
由（yóu）於集具磁通門原理高（gāo）靈敏性、閉環磁平衡與（yǔ）匝比輸出嚴格對應（yīng）性、整體磁芯封閉性、探頭補償消除振蕩諧波（bō）影響輸出幹淨性等優點（diǎn），因此閉環（huán）磁通門電流傳感器被廣泛應用於各型新能源電動車產品當中，如特斯（sī）拉Model3、比亞迪漢（hàn）、理想（xiǎng）ONE、小鵬P7等暢銷（xiāo）車型。
3、穿隧磁阻效應電（diàn）流傳感器
穿隧磁阻效應(TMR)電流傳感器是全新一代磁敏元件，較（jiào）霍爾器件、各向異性磁電阻(AMR)、巨磁（cí）電阻(GMR)相比，擁有能耗低、溫漂低（dī）、靈敏度高等優點，能夠明（míng）顯改善電流檢測的靈敏度（dù）與溫度特性（xìng）。
4、溫度傳感（gǎn）器
溫度對（duì）於BMS性能發揮意義重大，為了進一步提升電池利用率，防止電池過度放(充)電，掌（zhǎng）控電池工況，增加電池使用壽命，內置NTC溫（wēn）度傳感器來（lái）監測溫度。
NTC溫度傳感器主要由Mn等高純度金（jīn）屬元素的氧化化合物經過陶瓷技術和半導體（tǐ）技術結合製（zhì）成，工作原理為這些材料載流子（zǐ）數（shù）目少，電阻較高，當溫度升高時（shí），載流子數目相應增加，電阻對應降低(圖7)。其擁有（yǒu）電阻率高、熱容小、響應快，阻值（zhí）與溫度線性關係優良，能彎曲、價格低、壽命長等優點。常用的有3類：地環（huán）外殼NTC溫度傳感器，俗稱“地環型”;環氧樹脂封裝NTC溫度傳感器，俗稱“水（shuǐ）滴頭”、“小黑頭”;薄膜NTC溫度（dù）傳感器。
5、濕（shī）度（dù）傳感器
濕度（dù）傳感器就是一種把環境濕度量轉變（biàn）成能夠被電信號標記的設備或者裝（zhuāng）置，常見的濕度傳感器測量的量為相對濕度。現在新能源電（diàn）動汽車BMS常用的（de）濕度傳感器有電阻式濕敏元（yuán）件和電容式濕敏元件。其原理是在基片上塗敷一層用感濕（shī）材料膜，環境（jìng）中水蒸氣吸附在膜上時，元件電阻率、電阻值會變化，就能測出濕度。
濕度因（yīn）素（sù）在（zài）新能（néng）源電動車電池管理係統中（zhōng）尤為難以捕捉，但對於電池的性能、壽命影響巨大。對傳感器的濕度輸出（chū）予以溫度補償，得到（dào）線性電壓，輸入（rù）到帶有ADC的新能源電動汽車的BMS當中。
6、電壓（yā）傳感器
電動（dòng）汽車供（gòng）電係統（tǒng）的電池組由幾百個串聯電芯（xīn）聯通，故而測量電壓的通道需求較（jiào）大。串聯電池組（zǔ）為累計電壓，但單個電池電（diàn）動（dòng）勢（shì）並不相同，不能簡（jiǎn）單采用單向補償法消去誤（wù）差。電池電壓采集（jí）需要（yào）高精度，達到1mV，而目前采集精度（dù）僅有5mV。
電壓傳感器能夠讓被測電池電壓轉換成可輸出信號的傳感器，新能源電動汽車用的（de）電致發光效應電壓（yā）傳感器是測量發光材料（liào）在被（bèi）測電壓發光強度情況來獲得被（bèi）測（cè）電壓有（yǒu）效數值。同傳統的光學電壓傳感器相（xiàng）比（bǐ），基於電致發光效應的電壓傳感器將不再用載波（bō）光源，一方麵（miàn）消除載波光源測量的不穩定性，另（lìng）一方麵（miàn）也對（duì）傳（chuán）感器結構進行簡化、降低生產成本。
7、位置傳感器
BMS中的（de）位置傳感器是一項《電池溫控管理係統及電動汽（qì）車》實用新型專（zhuān）利當中提到的（de），目前在新能（néng）源電（diàn）動汽車中尚未廣泛應用。
位置傳感器（qì）主要（yào）是用於檢測BMS係統中水冷裝置中冷卻液（yè）麵的位置（zhì）情況。位置傳感器被安裝在冷卻水浮漂上，用於對冷卻液相對於膨（péng）脹水壺液（yè）麵位置進行檢測（cè），得到（dào）膨脹水壺的出液口（kǒu）同（tóng）所述液體的接觸情況。通常至少需要（yào）3個浮漂，並在每個（gè）浮漂上安裝位置傳感器，以便於車輛在經過陡坡等路段或冷卻係統中存有大（dà）量氣泡時（shí），BMS及時調節控製主水泵與副水泵進行（háng）切換（huàn）運行。
8、氣體傳（chuán）感器
新能源汽車動力電池熱失控，電池起（qǐ）火前通常會（huì）產生大量異常氣體(一氧化碳/氫氣/氟（fú）化（huà）氫/TVOC)等（děng），通過CO傳感器（qì）、氫氣傳（chuán）感器診斷到故障後，發出預警，並要求整車控製器進行有效處理。電池管理係統（tǒng） (BMS)全麵監（jiān）測電池的（de）健康狀（zhuàng）況。不（bú）同的傳感器各有優劣勢，一般會通過（guò）多個不同的傳感器（qì）檢測動力電池熱失控情況。
9、一氧化碳傳感器
為了盡可能減少人員傷亡及損失，及時發現火情，提前預警，顯得非常重要。動力電池熱失（shī）控，電池起火前通常會產生（shēng）大量CO，因此（cǐ）監控CO的濃度無（wú）疑是一種有效的解決方（fāng）案。一旦（dàn）超過報警閾值，啟動（dòng）報警（jǐng）啟，疏散人員（yuán）及啟動滅火，從而爭取到更多寶貴的時間。
10、氫氣傳感（gǎn）器
對於新能源汽車而言，氫氣傳（chuán）感器不僅能用於監測儲氫瓶和燃料電池係統中氫氣的泄露，還能用於檢測排放尾氣中的氫氣濃度。新能源汽車也就能根據這些監測的信息來實時分析電堆的性能和反應程度，從而及時調整相關輸入指標或數據配置來實現車輛的安全、高效運行。
電池管理係統傳感器技術發展趨（qū）勢
1、功能集成化趨勢
新能源電動汽車一直在朝向輕量化方向發展，與此同時對於部件的集成化要求更加嚴苛。BMS是一個結構複雜、功能集成的管理係統，其體積較小，因此要求（qiú）傳感器具備多功能一體性，進而能夠用（yòng）最少數量傳感器就能夠全麵監控（kòng）電池係統。在發生異（yì）常時（shí），也能夠更快更（gèng）準的找到故（gù）障點。
2.監測精準化趨勢
未來產品對傳感器技術的監測（cè）數據精度將越來越精細，對於電流電壓、溫濕（shī）度等數據的采集需（xū）要更精（jīng）準的（de）數（shù）據，從而提升用戶對電池係統工況的準（zhǔn）確（què）掌握。下一步需要從理論仿真、實驗研究兩個（gè）方麵同時入（rù）手，研究探索出（chū）新一代（dài）監測高效高精度（dù）的BMS傳感器。
3、產品安全化趨勢（shì）
功（gōng）能安全（quán）是新能源電動汽（qì）車的基本要求，也是傳（chuán）感器技術發展的必然趨（qū）勢。一方麵是需要確保傳感器產品自（zì）身使用安全性，另一方（fāng）麵則是傳感器支（zhī）撐起來的整個BMS的安全性，這都將直接或間接影響行車安全性，影響用戶的駕駛體驗與人身安全。

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