浅谈电池管理系统温度传感技术

除去许多其他功能之外，电池管理系统 (BMS) 还必须密切监视电池和电池组的电压、电流和温度。温度测量对于保证电池和 BMS 正常工作，以及最佳健康状态 (SOH) ，防止性能下降非常重要， 尤其是快速充放电期间。

1.温测技术简介

温测一般读取随温度变化器件的电压–大多数情况下是电阻器件，如热敏电阻或电阻温度检测器 (RTD)。热电偶等其他技术需要冷结补偿和适当屏蔽毫伏读数，而基于二极管 /BJT 的温度传感器则需要恒定电流激励。使用 NTC 热敏电阻的主要优点是灵敏度高，精度、性价比出色，通用性强。这类器件具有便于接触测量的特点，是监测每个点或面的最佳温度传感选择。不同接触温测技术对比参见 表1。热电耦往往在设计阶段使用。

在高功率电池组中，由于电池组大小，以及电池组内部热梯度由单个电池和/或充放电条件决定，因此 BMS 需要多路温度传感器输入，以保证整体最佳性能。

负温度系数 (NTC 热敏电阻) 具有电阻/温度非线性指数下降的特性，如 图1 和 公式(1) 和 (2) 所示。

NTC 热敏电阻的优点是能够以许多不同方式产生不同的阻值 (R25) 和坡度 (B 值)，从 (外置) PCB 表面贴装，螺钉固定高度绝缘的表面传感器，甚至焊接到接线柱上。
如 图2a 所示，用于电阻分压网络时，热敏电阻电压随温度的变化呈 S 形 (参见 图2b 和 公式(3))。

图2b 中，温度与 Vtherm 之间的关系可以通过查找表 (LUT) 或采用 算法(2) + (3) 确立，这样，ADC 和控制器 IC 可应用预定义策略控制电池组不同的充电阶段或健康状态。

2.案例分析

作为一个简单示例，我们可以使用 Analog Devices 公司的 LTC4071，这是一种锂离子和锂聚合物电池组充电器 IC，用于能量收集和嵌入式汽车系统。

原理图设计

模拟如 图3 所示。原理图基本上复制 Analog Devices 公司 LTC4071 的 SPICE 宏模型和锂离子电池模型。

简化后的模拟结果

图4 中的图形表示模拟结果 (简化)。锂离子电池在三种不同电压条件下开始充电 (通过 IC 控制)：4.2V 满电；3.6V 50% 电量；3.0V 空)。开始时 (时间 0)，电池环境温度为 20°C，逐渐提高到 70°C，然后恢复正常环境温度。为保证长期稳定性，电动汽车 (EV) 使用的电池组通常在 20% 至 85% 电量范围内工作，因此很少在电池 4.2V 满电压条件下充电，或在低于 3.2V 电池电压条件下放电。

图4 显示温度达到不同临界阈值时 BMS 的行为。

随着温度 (以电压源 V1 表示) 上升，热敏电阻相应变化，延迟由系统响应时间决定。初始电压为 4.2V (绿色曲线)，当温度达到不同连续上升阈值时，短时间放电，电池电压自动逐步下降。初始电压为 3.0V (红色曲线)，当上升温度达到第一个阈值时充电停止，当温度低于一定水平时重新开始充电。

3.更多可选方案

为实现电池温度测量的最佳精度和可重复性，Vishay 推出多种 NTC 热敏电阻。NTCALUG01T 在 150°C 条件下使用寿命长达 10, 000 小时，高压/电源连接端子和接线柱感应温度耐压达 2.7kV，不同于控制器电路的电压等级。金属表面温度感应的另一个选择是采用 NTCALUG02 热敏电阻，其热梯度小于 0.05K/K。

电动汽车/混合动力汽车中，BMS 可采用不同的温度传感策略，主要取决于电池特性、总成设计和控制 IC 算法。这本身是一种完整的混合学科并正在不断进化。

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