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2024-10-22
发表了主题帖：浅析电机驱动控制器中的电流检测

1、电动汽车电机驱动控制器发展趋势随着我国新能源汽车的高速发展，以及全球对环境保护和可持续发展的重视，新能源电动汽车市场呈现出快速增长的态势。根据中汽协数据显示，2023年中国新能源汽车产销分别为958.7万辆和949.5万辆，同比增长35.8%和37.9%，市场占有率已经达到31.6%。新能源电动汽车市场的持续高涨，将带动电机驱动控制器装机量快速提升。预计到2029年，全球电动汽车电机控制器市场规模将达到数千亿人民币的规模，年复合增长率保持在较高的水平。在中国市场，随着新能源汽车产业政策的不断完善和新能源汽车市场的不断扩大，消费者对新能源汽车的续航里程、安全性能等方面要求的提高，市场对电机驱动控制器的性能和质量要求也不断提高。新能源电动汽车电驱动结构是电动汽车动力系统的核心部分，主要由驱动电机、控制器和变速器三大核心部件组成。电机驱动控制器接受整车控制器（VCU）的指令，通过IGBT模块的开关状态，将动力电池提供的直流电转换成交流电，供给驱动电机使用。同时，通过监测传感器信号和电路状态，实现对电机和控制电路的实时保护。如图1 电动汽车电驱动系统结构。图1 电动汽车电驱动系统结构 2、电机驱动控制器电路结构电机驱动控制器由低压和高压部分组成，通常包括功率电路、控制电路、传感器接口和保护电路等。功率电路负责将电池的直流电转换为电机所需的交流电，核心部件是逆变器，通常采用IGBT或SiC MOSFET等功率半导体器件。控制电路则负责实施电机控制算法，如矢量控制或直接转矩控制，以实现精确的电机转速和转矩控制。传感器接口则用于接收电机和环境变量的反馈信号，如电流、电压、温度等，以便于实现闭环控制。保护电路则包括过流、过压、过热等保护功能，确保系统的安全稳定运行。电路结构如图2。 2.1 低压部分低压部分主要包括以下模块：输入/输出接口电路：负责外部输入信号与控制器主板的转换连接，以及控制器主板输出信号与外部设备的转换连接。控制主板：与整车控制器（VCU）通信，对旋变传感器供电并分析旋变信号，控制IGBT模块，监测高压直流母线电流、IGBT模块温度及高压插头连接情况等。运算器与存储器：处理控制算法和存储相关数据。传感器：电流传感器、电压传感器和温度传感器，用于监测电机和控制器的工作状态并提供保护和控制。辅助电源：为控制电路提供必要的电源支持。 2.2 高压部分高压部分主要包含以下模块： IGBT模块，绝缘栅双极型晶体管（IGBT）模块是电机控制器的核心部件，负责将直流电转换成三相交流电，并控制电机的转速和转动方向。在车辆减速时，还能回收能量，将三相交流电转换成高压直流电，对动力电池进行充电。超级电容：与高压直流母线并联，作用是在电机启动时保持电压稳定，确保电机平稳启动。放电电阻：用于在需要时快速放电，保护电路安全。直流高压插接器与UVW插接器：负责高压电路的连接与断开，确保电流和电压的稳定传输。 2.3 三相逆变器拓扑结构以新能源电动汽车中最常用的三相逆变桥结构为例，三相逆变器拓扑结构是交流电机驱动控制器的常用结构。它将直流电转换为三相交流电，供给电机使用。如图2，三相逆变桥结构通常由六个开关元件组成（IGBT模块），分为三组，每组控制一相输出。通过控制这些开关元件的通断状态，可以产生三相交流电，其频率和幅值可调，从而控制电机的转速和转矩。三相逆变桥拓扑结构能够产生平滑的三相交流电，适用于高性能的交流电机控制场景。比如电动汽车领域的交流电机驱动控制器。同时，随着新能源电动汽车的发展，对电机驱动控制器的集成化要求越来越高。集成化电机驱动控制器将电机控制器、功率变换器、传感器等原件集成在一起，形成紧凑且高效的驱动系统。图2 电机驱动控制器三相逆变桥结构图 3、三相逆变结构电机驱动控制器电流检测要求及方案 3.1三相逆变桥电机驱动控制器电流检测要求及电流检测点三相逆变桥结构电机驱动控制器的电流检测是至关重要的，它们用于实时监测和控制电机的运行状态，确保电机能够高效、稳定工作。在三相逆变桥结构电机驱动控制器中，通过准确检测电机的相电流，可以实现对电机转矩、转速的精确控制，同时监测电流是否超过额定值，防止电机过载或短路等故障发生。通常来说，在三相逆变桥结构电机驱动系统中，需要在三相逆变器输出端或者直流母线侧做电流检测。三相逆变器输出端：选择在三相逆变器输出端，即电机输入端，是因为逆变后输出电流直接反映了电机是实际运行电流，通过在每个输出相上安装电流传感器，可以实时掌握电机的运行状态，用于电机的闭环控制、故障诊断和过载保护。直流母线侧：为了简化系统结构和降低成本，也可以选择在直流母线侧进行电流检测。这种方法需要采用特殊的电流检测算法和信号处理技术，从而准确计算出电机的三相电流。图3 电机逆变器结构 3.2三相逆变桥电机驱动控制器电流检测方案在电机驱动控制器电路中，电流检测常用的技术有：1.采样电阻；2.霍尔电流传感器；3.电流互感器；4.磁通门。在逆变电路中，通常使用是基于霍尔效应、霍尔元件的霍尔电流传感器。霍尔电流传感器具有测量范围广，响应速度快，测量精度高，动态性能好，工作频带宽，可靠性高等优点，使用霍尔传感器检测电流最大的优势是霍尔电流传感器通过磁场感应测量电流，无需与被测电路直接接触，同时，原边电路与副边电路之间有良好的电气隔离，因此不会对被测电路造成干扰和损伤，提高了系统的安全性和可靠性。霍尔传感器从原理上可分为两大类，开环霍尔元件和闭环霍尔元件，其测量原理如下图所示：图4 霍尔元件原理图开环霍尔元件直接检测由待测电流激发出的磁场磁感应强度；闭环霍尔元件则是在磁环上又缠绕了一组线圈，其中电流通过反馈确定，以保证最终磁环中的磁感应强度为0，这样通过测量线圈中电流的大小即可推算出待测电流的大小。闭环霍尔元件与开环霍尔元件相比，其检测精度较高，并且在响应时间、带宽等指标上也优于开环霍尔元件。低零飘、高带宽的电流传感器，可满足实现高精度的电流采集。
2024-09-25
发表了主题帖：浅谈电动汽车供电设备安全要求强制性国家标准

摘要：随着电动汽车行业的快速发展，供电设备的安全性成为了公众关注的焦点。为了确保电动汽车供电设备的安全、可靠运行，并保障使用人员和周围环境的安全，中国电力企业联合会和国网电力科学研究院有限公司等单位共同修订起草了《电动汽车供电设备安全要求》这一强制性国家标准。该标准的制定旨在统一电动汽车供电设备的安全规范，推动电动汽车及其配套设施健康、有序地发展。一、背景而电动汽车离不开充电桩，电动汽车行业的发展会推动充电桩行业的发展。充电桩作为新能源汽车基础设施的核心部分，近年来在政策和市场的双重推动下，市场规模实现快速增长。然而，尽管充电桩数量不断增加，但与新能源汽车保有量的增速相比，仍存在较大差距，车桩比尚未达到政策目标。据预测，未来充电桩市场仍有广阔的发展空间。因此，加强充电桩建设，提高充电桩覆盖率和充电效率，将是未来新能源汽车行业发展的重要方向之一，以满足日益增长的新能源汽车充电需求。二、市场规模充电桩是新能源汽车基础设施建设的重要组成部分，一个完整的充电桩主要包括充电系统、监控系统、计量计费系统等。在政策和市场双重驱动下，充电桩产业迎来加速发展，市场规模实现快速增长。中商产业研究院发布的《2023-2028年中国充电桩专题研究及发展前景预测评估报告》显示，按终端销售口径统计，2022年中国充电桩市场规模为372亿元，同比增长69.1%，2023年约为431亿元。中商产业研究院分析师预测，2024年市场规模将达517亿元，如图1所示。图1 2019-2024年中国充电桩市场规模预测趋势图三、车桩比随着新能源汽车销量爆发，新能源汽车保有量的不断提升。截至2022年底，全国新能源汽车保有量达1310万辆，占汽车总量的4.10%。充电桩是新能源汽车的关键性配套设备，行业发展速度远跟不上市场需求。根据充电联盟数据，截至2022年，国内车桩比约为2.5:1，距离工业和信息化部此前提出的“2025年实现车桩比2:1，2030年实现车桩比1:1”的目标仍存在较大差距，如图2所示。充电桩需求缺口大，未来我国充电桩建设仍有广阔空间。图2 2018-2030年中国车桩比趋势预测图四、标准解读 1、标准介绍《电动汽车供电设备安全要求》是一项强制性国家标准，主要针对电动汽车供电设备的安全性进行规范。该标准以GB/T 39752—2021为基础进行修订，旨在确保供电设备在使用过程中的安全性和可靠性。它适用于各种类型的电动汽车供电设备，包括但不限于充电模式2、充电模式3和充电模式4的设备。规定了符合性试验使用的仪器设备、试验条件、试验部位、试验方法和计算方法等，为设备的检测和认证提供了统一的标准。标准的适用范围广泛，包括额定输出电压为1000V AC或1500V DC及以下的各类型供电设备，具有很强的实用性和指导性，模式二模式三充电示意图如图3所示。图3 模式二模式三充电示意图 2、新国标充电桩漏保要求如图4所示，自今年4月1日开始正式实施GB/T 18487.1-2023以来，国标中对于漏电保护的要求和欧标趋于一致，在11.3.1中提出供电设备的剩余电流保护应具备保护交流剩余电流，脉动直流剩余电流，和6mA及以上平滑直流剩余电流的功能。图4 新国标充电桩漏保要求 3、强制性国家标准充电桩漏保要求强制性国家标准征集草案中对于剩余电流保护部分也有和GB/T 18487.1-2023中同样的要求。图5 强制性国家标准充电桩漏保要求草案提议中对交流供电设备的剩余电流保护均依据GB/T 18487.1-2023的要求A型漏保中对平滑直流6mA及以上的剩余电流进行监测。如图5所示，此次提案将原有的推荐性国家标准GB/T 39752-2021全部替换为强制性国家标准。四、原理分析 1、漏电流的产生和分类一般漏电流分为以下四种：半导体元件漏电流，电源漏电流，电容漏电流，滤波器漏电流。（1）半导体元件漏电流半导体元件（如PN结）在截止时，理论上不应有电流流过。但实际上，由于自由电子的存在，它们可能会附着在SIO2和N+等位置，导致D-S之间有微小的漏电流。例如在反向偏置的二极管中，一些电流流过耗尽区，该电流称为漏电流，极管反向偏置时电流载体的反应如图6所示。图6 极管反向偏置时电流载体的反应（2）电源漏电流在开关电源中，为了减少电磁干扰（EMI），通常会设置EMI滤波器电路。这个电路会导致电源在接上市电后对地有一个微小的电流，这就是电源漏电流。如果不接地，设备的外壳可能会对地带有电压，不仅可能对人体造成不适，还可能影响设备的正常工作。（3）电容漏电流电容器的介质并非完全不导电，当电容加上直流电压时，会有漏电流产生。这种漏电流的大小与电容器的绝缘性能有关。除电解电容外，其他电容器的漏电流通常很小，用绝缘电阻参数表示其绝缘性能；而电解电容因漏电较大，直接用漏电流表示其绝缘性能。（4）滤波器漏电流在额定交流电压下，滤波器外壳到交流进线任意端的电流即为滤波器漏电如果滤波器的所有端口与外壳之间是完全绝缘的，那么漏电流的值主要取决于共模电容CY的漏电流，即CY的容量。由于滤波器漏电流的大小涉及人身安全，国际上各国都有严格的标准规定。例如，对于220V/50Hz交流电网供电的设备，一般要求噪声滤波器的漏电流小于1mA，电磁兼容滤波器中的漏电流如图7所示。图7 电磁兼容滤波器中的漏电流 2、漏电流的危害（1）漏电流对人体的危害在有防止触电保护装置的情况下，人体允许通过的电流一般可按30mA考虑，10mA则是作为人体的安全电流，如图8所示。电流在体内的持续时间是电流强度的函数，在该图表中，交流电流的影响分为四个区域。感知阈：通过人体能够引起任何接触电流的最小值；反应阈：通过人体能够引起肌肉不自觉收缩的接触电流最小值；摆脱阈：人可以主动摆脱电极的接触电流最大值；心室颤动阈：通过人体引起心室纤维性颤动的接触电流最小值，注：曲线c1以上会发生烧伤/心博停止/呼吸停止。图8 交流电流对人体影响的四个区域（2）漏电流对设备电网的损害　　①在带隔离变压器的系统中，如果直流分量超过一定值，就会造成隔离变压器饱和，导致系统过流保护，甚至损坏功率器件。　　②在不带隔离变压器的系统中直流分量将直接对负载供电。对于非线性负载，直流分量会造成电流的严重不对称，损坏负载。　　③直流分量不仅给电源系统本身和用电设备带来不良影响，还会对并网电流的谐波产生放大效应，从而产生电能质量问题。增加电网电缆的腐蚀;导致较高的瞬时电流峰值，可能烧毁熔断器，引起断电。国际上目前对直流分量上限规定基本一致，中国、美国、英国等的相关并网标准规定直流分量不允许超过每相电流额定值的0.5%或5mA。 3、漏电流的类型漏电流类型分为TypeA、TypeAC、TypeB三类，如图9所示。图9 漏电流的类型 ①TypeAC指普通的正弦交流电，用普通互感器检测不适用于EV charging及绝大多数漏电检测要求。 ②TypeA指在A型的基础上还有脉动直流，一般用零序互感器检测。现在国内EV charging正在使用，检测的保护阈值在10mA~30mA不等（IC-CPD中的互感器磁芯一般选择坡莫合金）。原理与AC型一样，与AC型的区别在于对磁材进行了改动。提高了对脉动直流的灵敏度。AC型互感器检测的是一个完整的正玄波，该正弦波所产生磁滞是一个完整的环，磁通量Δ较大。而跃动的直流电相较于前者只有半个周期，其对应的磁滞环甚至不到一半，产生的磁通量远小于Δ。A型和AC型都是基于磁通量的变化来检测电流，所以如果电流是平滑的，互感器将无法检测。 ③TypeB的是在A型漏电的基础上还有平滑直流和断续直流，用磁通门传感器检测。它是利用被测磁场中高导磁率磁芯在交变磁场的饱和激励下，其磁感应强度与磁场强度的非线性关系来测量弱磁场。 4、磁通门（1）磁通门电流测量被测磁场中高导磁率磁芯在交变磁场的饱和激励下，其磁感应强度与磁场强度的非线性关系来测量弱磁场的。这种物理现象对被测环境磁场来说好像是一道“门”，通过这道“门”，相应的磁通量即被调制，并产生感应电动势。利用这种现象来测量电流所产生的磁场，从而间接的达到测量电流的目的。（2）传感器电流测量整个过程可以概括为：当磁通门式电流传感器工作时，激励线圈中加载一固定频率、固定波形的交变电流进行激励，使磁芯往复磁化达到饱和。在不存在外在电流所产生的被测磁场时，则检测线圈输出的感应电动势只含有激励波形的奇次谐波，波形正负上下对称。当存在直流外在和激励交变磁场，直流被测磁场在前半周期内促使激励场使磁芯提前达到饱和，而在另外半个周期内使磁芯延迟饱和。因此，造成激励周期内正负半周不对称，从而使输出电压曲线中出现振幅差。该振幅差与被测电流所产生的磁场成正比，因此可以利用振幅差来检测磁环中所通过的电流，磁通门测量电流原理如图10所示。图10 磁通门测量电流原理（3）磁芯原理一般磁性材料都有S形状曲线的特性，称之为磁滞回路（hysteresis loop），如图11所示。此磁滞回路曲线建立在B—H的坐标轴上，为磁性材料遭受完全磁化与非磁化周期，图示为典型磁滞曲线的铁心，如果曲线由a点开始，此点表示最大正磁化力，至b点磁化力为零，然后下降至c点为最大负磁化力，再至d点磁化力为零，最后返回最大正磁化力的a点，此即为整个磁性周期。优选高导磁率、低矫顽力磁芯。图11 磁滞回路 5、平滑直流检测必要性通过车载OBC充电时，会存在两相/三相整流滤波等交直流变换环节，当回路中有漏电情况时，大部分都是直流漏电，即脉动直流电流、平滑直流电流或含有平滑直流成分的复杂交流电流，车载OBC充电漏电流的产生如图12所示。图12 车载OBC充电漏电流的产生为了满足包括GB/T 40820和GB/T 41589在内的标准，电动汽车的充电需要一个剩余电流传感器，以避免车辆电池（DC）连接到家用电源（AC）的危险情况。传感器仅满足GB/T 40820和GB/T 41589标准的关断特性（监测剩余电流）。必须使用额外的驱动电路来驱动GB/T 40820和GB/T41589中定义的动作执行机构，电动汽车模式2/模式3漏电流检测如图13所示。图13 电动汽车模式2/模式3漏电流检测 6、RCD的致盲性保护人身安全一直是电气系统设计的首要任务，当保护回路含有直流剩余电流成份时，普通的AC型RCD（剩余电流保护装置）可能存在“致盲性”，RCD的致盲性如图14所示。直流分量将会降低AC型RCD内互感器的磁场强度和磁感应电势（磁芯将被该直流电流预磁化）并且可能导致对剩余电流不敏感，使RCD拒动作。为此，在给电动汽车充电时，需采用A型（防脉动直流）或B型（防平滑直流）RCD来进行保护。注：国外要求A型RCD基础上还需单独增加一个RDC-DD(6mA平滑直流检测装置，目前新国标和强制性国家标准也更新了此要求！图14 RCD的致盲性五、产品选型针对新国标和强制性国家标准对于电动汽车充电设施模式二随车充（IC-CPD）、模式三交流充电桩的剩余电流保护要求，可选择RCMU1O1SM7系列剩余电流传感器基于MAGTRON iFluxgate@ 技术，核心处理芯片采用自主研发的SoC，集成自检功能和逻辑判断，模块化设计。采用分离式设计，提供三种不同的端子型号，如下表1所示；表1 端子配套列表推荐六、总结综上所述，《电动汽车供电设备安全要求》这一标准的制定和实施，对于提升电动汽车供电设备的安全性、推动电动汽车行业的健康发展、加强行业监管和管理以及保障公众利益等方面都具有重要的影响和意义。
2024-06-28
发表了主题帖：浅谈光储充一体化电流传感器的应用与选型

一、引言太阳能具有分布广、可再生、无污染等特点，利用光伏系统对太阳能加以利用成为解决当前能源危机及缓解环境保护压力的重要手段之一。近年来，光伏装机规模快速扩大，技术进步和产业升级加快，已成为全球能源转型的重要领域。图1 国家能源局户用光伏统计信息公开目前，国内光伏产业链各个环节已经相当完整，参与其中的厂家众多，光伏市场日趋饱和。随着光伏组件的高度集成化，新器件的工艺提升，对电流检测提出了更高的要求，包括高精度、高灵敏度、高稳定性、高可靠性和快速响应等方面。电流传感器是光伏系统中用于系统控制和状态监测的重要元件，是实现光伏组串电流检测极其关键的一环，包括对直流、交流、脉动直流及共模漏电流的测量。在此背景下，运用电流传感器准确监测电流，可以及时发现问题，提高光伏系统的可靠性、效率和安全性，从而推动光伏技术的发展和应用。二、光伏组串电流检测需求光伏组串电流检测是光伏逆变器中的一个重要功能模块，可用于故障检测和故障保护、运行优化和功率控制、数据采集和监测等方面，通过对组串电流的准确监测和分析，能够有效保证光伏系统的安全运行和性能优化。光伏阵列的电路结构多为SP结构，阵列中的太阳电池组件首先通过串联方式形成一个支路，再将各个组串并联构成。如下图所示为一个m串n并的SP结构。图2 SP结构的光伏阵列根据IEC 62548 标准要求：光伏系统是否需要在每个组串中安装过流保护器件由组串并联数量确定。图3 IEC 62548 标准要求注：代表组串并联数量，代表光伏组件短路电流，代表光伏组件最大过电流保护额定值。当并联组串数量超过2串时，需要在每个组串中安装过流保护器件。对逆变器而言，即每路MPPT接入的组串数量达到3串及以上时，需要在每个组串增加过流保护器件。因此，通过在每条光伏组串中布置带有过流保护功能的芯片级传感器，检测各组串输入电流，分析各组串的工作状态，可以保证光伏阵列发生故障、组串工作出现异常时，能够及时测量该支路电流的变化情况、定位异常并发出警告，提醒用户及时检修。图4 光伏组串电流传感器嵌入方式电流检测能够及时检测到电流的变化，指示故障位置，帮助工作人员快速发现故障点进行维护，缩短组件更换周期，提高光伏系统的发电效率和系统的经济性。对常见的光伏组串电流故障问题进行统计汇总，帮助我们更好的聚焦日常应用过程中光伏组串的电流检测需求。（1）组串短路：当光伏组串中存在短路时，电流会迅速增大，导致电流异常高。短路通常是由于组串内部连接线路的损坏、电池板损坏或接触不良等原因引起的。（2）组串开路：组串开路是指光伏组串中存在断路或开路现象，导致电流无法正常通路。在组串开路情况下，电流将为零或非常低。（3）组串接触不良：光伏组串中，如果连接线路或连接器出现松动、腐蚀或接触不良，会导致电流传输受阻或中断，从而引起电流异常。（4）组串温度过高：当光伏组串发生过载或电路故障时，会导致组串温度升高。高温会影响电池板的发电效率和稳定性，从而引起电流异常。（5）组串电池老化：光伏组串中的电池板随着使用时间的增加，可能会出现老化、损坏或性能下降的情况，导致电流输出异常。三、光伏组串电流传感器的实际应用为满足上文中提及的光伏组串电流检测需求，电流传感器的角色至关重要。电流传感器一般用于测量和监测光伏组串中的电流输出，以实时获取电流值，并将其传输给光伏逆变器或其他控制系统。在实际应用过程中，多种因素的共同作用可能会导致传感器故障的发生，进而导致电流检测效果不佳，对光伏系统的稳定运行产生不可忽视的影响。对使用过程中造成电流传感器测量误差的具体问题进行汇总，总结如下：表1 光伏组串电流传感器实际应用过程中产生的具体问题汇总针对以上总结的光伏组串电流传感器应用过程中产生的问题，对问题产生原因进行探究，结果如下：表2 光伏组串电流传感器应用过程中产生具体问题的原因汇总针对以上问题，可以通过选择高精度、抗干扰能力强的光伏组串电流传感器，合理安装和布置传感器，避免将传感器安装在受到强烈阳光直射或高温环境的位置，避免安装在有较强电磁干扰源的附近，以及避免存在机械振动的位置。进行定期维护和故障检测，以及采取温度补偿等措施来提高光伏组串电流传感器的实际应用性能。四、产品选型 ME2系列电流传感器基于Magtron Quadcore®的高性能电流传感器芯片，采用开环霍尔技术，适用于隔离条件下的交直流、脉冲电流和任何其他波形电流的测量，测量时一次侧与二次侧完全绝缘。在全温区下具有高精度、高线性的输出特性。器件安装方式为PCB插件，具有可靠的固定引脚，安装便捷且具有良好的散热效果。适用于光伏汇流箱、光伏逆变器组串、伺服电机驱动、不间断电源等工业产品应用。产品优势：体积小、低成本、高可靠性、低插入损耗、抗干扰能力强、响应迅速、方便安装产品特点：高精度、高线性度、低零漂、低温漂、响应迅速。参考文献： [1] 常万万.光伏阵列故障特性分析与故障定位方法研究[D]. 兰州交通大学,2023. DOI:10.27205/d.cnki.gltec.2023.000765 [2]孙建民,梁凌,李庚达等.光伏组件故障诊断技术综述[J].太阳能,2022, (02):12-22.DOI:10.19911/j.1003-0417.tyn20201105.01 [3]苏亚超.组串式光伏发电系统直流侧多目标动态重构控制研究[D].燕山大学,2020. DOI:10.27440/d.cnki.gysdu.2020.001165 [4]胡义华,陈昊,徐瑞东等.基于最优传感器配置的光伏阵列故障诊断 [J].中国电机工程学报,2011,31(33):19-30. DOI:10.13334/j.0258-8013.pcsee.2011.33.004
2024-05-28
发表了主题帖：浅谈储能变流器（PCS）拓扑结构及电流检测

单位：浙江巨磁智能技术有限公司作者：高建峰一、储能变流器（PCS）的发展趋势为了达成2030年碳达峰，2060年前实现碳中和，新型发电形式在电力市场装机量中占比不断增加。截止2022年我国风电、光伏发电量达到1.19万亿千瓦时，较2021年增加2073亿千瓦时，同比增长21%，占全社会用电量的13.8%，同比提高2个百分点，接近全国城乡居民生活用电量。在风光发电模式的逐渐成熟化下，为提升整体电力系统可靠性，协调资源灵活使用、稳定消纳，市场开始逐步催生配储需求。2022年国内储能新增装机13.30GW，同比增长26.67%，累计装机规模达到59.40GW。与全球储能类型结构类似，国内的储能同样以抽水蓄能为主，而新型储能的发展最为迅速，2022年国内新型储能新增装机6.90GW，同比增长182.07%，累计装机达到12.70GW。图1 国内新型储能装机柱状图由此可见，随着全球能源结构的转变和可再生能源的大规模部署，储能技术已成为电力系统的关键组成部分。储能变流器（PCS）作为储能系统的核心设备，其性能与效率直接影响到整个储能系统的经济效益和技术可行性。二、储能变流器（PCS）概述储能变流器(Power Conversion System，简称PCS)，在电化学储能系统中，是连接于电池系统与电网(和/或负荷)之间实现电能双向转换的装置，可控制蓄电池的充电和放电过程，进行交直流的变换，在无电网情况下可以直接为交流负荷供电。 PCS 由 DC/AC 双向变流器、控制单元等构成。PCS控制器通过通讯接收后台控制指令，根据功率指令的符号及大小控制变流器对电池进行充电或放电，实现对电网有功功率及无功功率的调节。同时PCS可通过CAN接口与BMS通讯、干接点传输等方式，获取电池组状态信息，可实现对电池的保护性充放电，确保电池运行安全。图2 储能设备系统框图三、储能变流器（PCS）拓扑结构 PCS的拓扑结构决定了其转换效率和可靠性。PCS 结构分为单级型结构和双级型结构。 1、单级型结构单级型储能变流器的结构如图 3 所示，其仅由一个 DC/AC 环节(PWM变流器)构成。其工作原理是：储能电池组放电时，其存储的能量经过 PWM 逆变器进行 DC/AC 逆变，储存在储能电池组中的直流电变换为交流电回馈电网；储能电池组充电时，电网的交流电通过 PWM变流器进行 AC/DC 整流，变换为直流电储存在储能电池组中。图3 单级性储能变流器拓扑 PWM 变流器工作于整流状态或逆变状态从而实现能量的双向流动。一般将单个储能电池串并联构成储能电池组，以保证变流器的正常工作。单级型拓扑效率高、结构简单、损耗较小、控制简便。但是在实际应用中单级型拓扑结构还存在一些缺点: 储能系统的容量配置不够灵活，储能电池的电压工作范围较小。 2、双级型拓扑双级型储能变流器的拓扑结构如图4所示，其主要由DC/DC变换器与PWM变流器构成。它的工作原理是: 储能电池组放电时，储能电池组中的直流电经过DC/DC 变换器升压后，供给 PWM变流器，经过PWM 变流器逆变为交流电后供给电网;储能电池组充电时，电网的交流电经过 PWM 变流器的整流，变为直流电后进入DC/DC 变换器，DC/DC 变换器将直流电压降压后给储能电池组充电。图4 双级性储能变流器拓扑对于电池单体串联和先并后串两种形式，采用单级型变流器较为合适。对于先串后并的电池成组方式，往往采用双级型的设计方式，使每组串联的电池分别通过 1个双向 DC/DC 变流器再连接到 DC/AC变流器的中间直流环节，然后再通过 DC/AC变流器与电网相连，如图 5所示。图5 双级性变流器拓展图这种双级型变流器拓扑在大容量储能系统，可以接入多组电池，各电池组之间通过独立的 DC/DC 环节控制，实现对多组电池组的独立充/放电控制，电池组的电压工作范围宽，不存在电池组之间的环流，实现对整个电池储能系统容量的灵活配置和对电池组的灵活投切，方便运行管理。然而，双级型变流器拓扑由于采用两级能量变换，系统损耗增大，总的能量转换效率较低;DC/DC 变换器数目多，系统较为复杂;两级变流器需要密切配合并且充电、放电工况的配合方式不同，这增加了系统控制的难度并降低了运行可靠性。按照电平数划分，储能变流器的拓扑无非有两种，即两电平电路拓扑和多电平电路拓扑，其中三电平电路拓扑是多电平电路拓扑的一种主要代表。 1、两电平电路拓扑如图6 所示为经典的三相桥式两电平电路拓扑，这种 PWM 整流器已经在业中应用的相当广泛。通过控制电力电子器件IGBT 的导通与关断，交流相电压为+Ud、-Ud 两种电平状态。当然，这种两种状态的相电压波形质量并不好，必须提高开关器件的频率才能改善电压波形质量，但这又引起了开关器件损耗的增加，因而降低了变流器整体的效率，所以，为了提高直流电压的利用率，多电平电路拓扑引起了人们的重视。图6 两电平三相桥式电路 2、三电平电路拓扑在高压领域，多电平电路拓扑的应用更为广泛在，这其中又以三电平电路拓扑为主要代表，主要是因为其结构的简单，方便实用。与传统两电平电路相比，三电平电路多出了中性点 0 电位。与传统的两电平电路拓扑相比，三电平电路的优点为:电压利用率更高，谐波含量低，电压质量更好，减小了滤波器的体积。开关频率低，进而电磁干扰降低，提高了系统的效率。以二极管位式NPC(Neutral Point Clamped)三电平电路拓扑为例，其拓扑如图7所示。三电平中间直流侧电容由 C1、C2 构成。每个桥上有 4个IGBT、4个续流二极管、2个钳位二极管。通过钳位二极管保证了两个IGBT承受的电压相同。电容中点与每相的钳位二极管中点相连，使得电容中点电压输出零电平，这样每相电压可以得到+ Ud/2、- Ud/2、三种电平。图7二极管NPC电平拓扑四、电流检测技术电流检测是PCS中的关键技术之一，影响到系统的控制精度和稳定性。常用的电流检测技术包括电阻采样和霍尔传感器采样。在实际应用中，MAGTRON CSM系列电流传感器，基于其自主知识产权iFluxgate®技术，具有高精度、低温漂、发热量低、响应速度快、模块化设计等特点。通过CE、RoHS认证，能够准确获取充放电电流，有效优化传统的充放电方式，延长电池使用寿命，节约能量。该系列电流传感器可广泛应用于需要精确测量电流的电池管理（SOC、SOE、SOF等）等应用场合，以及纯电动车、插电混合动力汽车及储能设备等领域，如新能源电动汽车的PACK、BMS、BDU、PDU等。图8 储能系统电流检测解决方案参考文献: 孟顺.一体化储能装置的设计与控制研究[D].北京交通大学,2016. 桂宇.纯电动汽车锂动力电池组双向均衡控制策略研究及系统开发[D].吉林大学,2014. 张新刚;王潇;安昱;张扬;范瑞祥.脉动输出型大功率级联储能变流器的新型拓扑研究[J].江西电力,2022,46(02):11-16. 申欣欣;赵廉.大功率储能变流器分析[J].应用能源技术,2022,(01):21-23. 朱孟隆.T型三电平储能变流器关键技术研究及装置研制[D].山东建筑大学,2020.DOI:10.27273/d.cnki.gsajc.2020.000190
2024-04-21
发表了主题帖：浅谈锂离子电池生产工艺流程和电流检测要求

浅谈锂离子电池生产工艺流程和电流检测要求 A brief introduction to the production process and current detection requirements of lithium ion battery 浙江巨磁智能技术有限公司吴伟斌摘要：锂离子电池市场随着双碳政策的推广，被广泛应用在新能源汽车、储能、电子设备中，本文主要剖析了锂离子电池的工作原理、内部构造，对其生产工艺流程逐一介绍，以及化成分容中现有的电流检测技术：分流器、电流传感器进行比较，使读者对锂离子电池有更全面的认识。关键词：锂电池、电流检测、电流传感器。 Abstract: With the promotion of the two-carbon policy, the lithium-ion battery market is widely used in new energy vehicles, energy storage, and electronic equipment. This paper mainly analyzes the working principle and internal structure of lithium-ion batteries, and introduces its production process one by one, as well as the existing current detection technology in chemical components: Shunt and current sensor are compared, so that readers have a more comprehensive understanding of lithium-ion batteries. Keywords: lithium battery 、current detection 、current sensor 一、锂离子电池发展背景 20世纪70年代初，锂离子电池的出现给能源革命增添了一笔浓重的色彩。作为一种能量密度高、循环次数多、使用寿命长的新型二次电池，锂离子电池被广泛应用于移动电源、电动车、家电、智能穿戴设备、3C产品等领域。伴随着2020年9月22日，我国提出的“碳中和”目标，政府陆续出台了一系列政策措施，加强碳排放控制和可持续发展等方面的工作，并一直致力于推动全球应对气候变化的协同发展。截止2022年底,在中国新型储能技术中,锂离子电池储能技术占据主导地位，占比高达93.7%，在新增储能装机项目中占比约为94%，是目前主流的储能技术。 2022年全国汽车保有量3.19亿辆，新能源汽车保有量达1310万辆，同比增长67.13%，占汽车总量的4.10%。其中，纯电动汽车保有量1045万辆，占新能源汽车总量的79.78%呈高速增长态势，电池作为电动汽车的核心部件，需求量呈高速增长态势。双碳政策为锂电行业带来了巨大的投资机会和市场需求，也推动着锂电技术的进步和发展。二、锂离子电池内部构造解析实际应用中，锂电池按封装方式主要分为圆柱，方形和软包三种，其核心差异在外壳材料上及卷绕方式上。圆柱和方形电池主要采用金属材料作为外壳，而软包锂电池采用铝塑膜作为封装外壳。从结构上分析，锂电池都是由正极、负极、隔膜、电解液及外壳组成：正极：主要有三元（NMC）、磷酸铁锂(LiFePO4) 、钴酸锂(LiCoO2)、锰酸锂(LiMn2O4)几个类型，其原理是充电时，锂原子会分裂为锂离子和电子，电子随外围电路回到负极，形成电流，放电时则相反；负极：主流为碳基材料，起电子储存跟释放作用；隔膜：一般为单层的PP(聚丙烯),PE（聚乙烯），也有双层或PP/PE/PP三层复合隔膜，其主要功能是防止两极接触而发生短路同时使电解质离子通过。其性能决定着电池的界面结构、内阻等，直接影响着电池的容量、循环以及电池的安全性能；电解液：在正、负极之间起着输送离子传导电流的作用，并且只能通过离子，电子则不能通过，也是能量密度和功率密度的关键；工作原理图如图1所示。图1 锂电池工作原理图三、锂离子电池的生产在锂电池生产中，最重要的就是正负极片的生产和电芯成型工艺。正负极片是由导电片跟正负极浆料组成。锂电池是将化学能转化为电能的一种电化学装置。在转换过程中，我们需要一种介质把化学能转化的电能传递出来，即导电材料。而在导电材料中，金属材料是导电性最好的，而在金属材料里价格又便宜的就是铜箔和铝箔。在电芯加工方面，主要有卷绕和叠片两种方式。卷绕工艺需要用于制备电池的极片具有一定的柔软性以保证极片在卷绕时不发生脆断等问题。而金属材料中，铜铝箔也是质地较软的金属，因此铜箔、铝箔被广泛应用在电池的正负极导电材料中。锂离子电池生产流程图如图2所示。图2 锂离子电池生产流程图锂电池生产第一道工序就是制浆，将正负极材料、黏结剂、导电剂充分搅拌形成正负极浆料，为了使材料混合均匀，需要严格控制搅拌的时间与方法，该工序控制的好坏将直接影响电池质量跟成品合格率。第二步就是将搅拌好的浆料按正负极均匀地涂到铝箔、铜箔上。由于正极电位高，铜箔在高电位下很容易被氧化，而铝的氧化电位高，并且铝箔表层有致密的氧化膜，因此正极导电体为铝箔，负极为铜箔；这道工序需要保证极片厚度和重量一致，否则会影响电池的一致性。涂布示意图如图3所示。图3 涂布示意图第三步是辊压，将制好的极片放入辊压机中进行辊压，这也是增加能量密度的重要一环。辊压示意图如图4所示。图4 辊压示意图第四步则是分切，按需要生产电池的尺寸将极片分切，分切过程中会有毛刺的产生，这种毛刺只能在显微镜下观察到。为了避免毛刺扎穿隔膜，产生严重的安全隐患，此步骤需要严格管控毛刺的情况，到此正负极片的生产就算完成了。分切示意图如图5所示。图5 分切示意图接下来是电芯成型工艺，主要有两种方式：卷绕法跟叠片法。卷绕法是按正极-隔膜-负极-隔膜的顺序将材料卷绕起来，形成裸电芯。需要使用先进的CCD视觉检测设备完成自动检测及自动纠偏，保证电芯极片不错位；叠片法是按正极-隔膜-负极的顺序叠加起来。卷绕法一般适用于圆柱电池、方形电池，叠片法则用于软包电池。卷绕示意图如图6所示。图6 卷绕示意图之后将裸电芯放入外壳，进行电芯排气，最后注入电解液并盖上顶盖封口。四、锂离子电池的激活与检测经过前段工序，锂电池的电芯功能结构已经形成，后续则是需要对其进行化成分容、检测、分选、组装，形成使用安全、性能稳定的锂电池成品。化成原理图如图7所示。图7 化成原理图其中，化成通过对高温老化后的电池进行首次充电，激活电池，在负极表面形成SEI膜，就是在电极材料表面的一层膜，通过电解液消耗锂离子形成，能够有效阻挡电子和溶剂分子通过。一般的步骤为：（1）搁置：将电池组装在针床化成柜上搁置5min；（2）恒流充电：0.02C恒流充电至3.0V；（3）搁置：搁置5min；（4）恒流充电：0.05C、0.1C、0.15C恒流充电至3.5V；（5）搁置：搁置5min；（6）恒流放电：0.1C恒流放电，放电深度50%SOC；（7）老化：常温搁置15天；以0.02C充电到3V，在SEI膜基本形成后以稍大一点电流充，不但节约更多时间；且形成的SEI膜致密，热稳定性更好，此时的SEI膜将电解液与石墨完全隔开，只许离子通过到达石墨层。分容则是使用充放电机对电池进行充电放电，通过一定规范进行“充满电-放完电”循环，利用安时积分法确定电池的容量，也就是循环时间乘以放电电流得到的结果就是电池的容量。只有测试的容量满足或大于设计容量的电池是合格的，并且需要保证电池的一致性。经过化成分容之后再利用OCV、DCIR等测试设备对电池开路电压、交流内阻、壳盖绝缘等参数进行测量，筛选合格的单体电池，最后经过高温老化，就完成了电池的生产。五、化成分容电流检测方案综上所述，电流检测技术对化成分容工艺具有重要作用。业内化成分容产线的电流测量精度普遍在万之五，其使用的电流测量方案主要有两种： 5.1 传感器方案采用高精度闭环磁通门电流传感器，现有的单电源、双电源传感器精度普遍在千一到千七之间，整体是无法达到产线的要求，那做化成分容产线的厂家都会搭建测量电路，根据传感器线性度进行分段标定以及依据温度曲线做补偿，以达到目标的万五精度，因其体积小、性能稳定、价格便宜被广泛应用；另外现有的PPM精度级别的传感器由于价格太高，更多是应用在对产线的标定工作。 5.2 分流器方案本身能达到较高的精度，但是温漂较大，且本身功耗较大，因此目前主要在小电流场景或者加强散热的环境下使用。 Magtron采用自主研发的的专利ifluxgate技术打造的高性价比、低零飘、高带宽电流传感器，可满足化成分容产线使用，实现高精度的电流采集。由公司自主研发的SoC芯片也可以为客户提供专有的技术解决方案，基于市场实时的最新需求，不断升级完善，致力于解决工业、电动汽车、储能行业等各项电流、漏电流采集问题，为各行业电力设备保驾护航。Magtron电流检测方案如图8所示。图8 Magtron电流检测方案参考文献： [1]毛松科. 锂离子电池生产工艺及其发展前景[J]. [2]叶霁萱,曲涛,赵宇锋,等. 锂离子电池正极材料LiFePO4高低温性能研究[J]. [3]吴泽轶,操世鑫,王少鹏,等.快速充放电锂离子电池负极材料开发[J]. [4]刘璐,王红蕾,张志刚.锂离子电池的工作原理及其主要材料[J]. [5]戴燕珊,冼巧妍,黄振茂.《锂离子电池性能研究》 [6]胡广侠,解晶莹.影响锂离子电池安全性的因素[J]. [7]杜翠薇,赵煜娟,吴荫顺,等.热处理改进天然石墨的电化学性能[J]. [8]黄峰,周运鸿.锂离子电池电解质现状与发展[J].
2024-03-08
发表了主题帖：浅谈电动汽车电池SOC估算和电流检测需求

一、引言随着全球气候环境及能源供需的变化，越来越多的国家认识到能源的重要性。习总书记指出，“十四五”时期，我国生态文明建设进入了以降碳为重点战略方向、推动减污降碳协同增效、促进经济社会发展全面绿色转型、实现生态环境质量改善由量变到质变的关键时期。随着相关技术日渐成熟，以纯电动汽车、混合动力汽车和燃料电池汽车为代表的新能源汽车，得到了蓬勃的发展。资料来源：国家统计局以蓄电池为动力的纯电动汽车，简称EV（Electric Vehicle）。因其节能环保、零排放、低噪声等优点，正逐步取代传统燃料汽车的地位。电池管理系统作为电动汽车的核心部件，对保护电池安全、提高车辆性能及延长使用寿命至关重要。电池管理系统的关键功能有电池性能管理、安全保护、均衡管理、信息通讯以及充电管理等等。大家最关心的电动汽车续航问题，其关键就在于对电池荷电状态（State of charge, SOC）估算的准确性。电池SOC反映了电池中的剩余电量，对电池 SOC估算的准确性直接影响了整车续航里程、可输出最大功率等整车核心性能和安全功能。又因为电池本身内部机理复杂，车辆运行工况多变，电池 SOC的精确估算存在着很大的挑战。二、电池SOC估计方法 SOC一般以美国先进电池联合会的定义为标准，表示为当前时间环境下电池的剩余电量与额定容量的比值，具体的计算表达式为：其中，为电池剩余电量， QN表示当前条件下电池的额定容量。与电流、电压等参数不同，电池的SOC无法直接测量得到，而需要根据可测量的电流、电压、温度等物理量间接进行估计。锂电池在实际使用过程中，SOC会随着电池容量、内部阻容参数、温度、放电率和老化程度等特征参数不断变化，因此准确且实时地估计SOC一直是相关技术研究领域的重点和难点。经过国内外专家学者十几年的研究，不同类型的SOC估计方法陆续被提出。在大量的文献检索基础上，对电池SOC估算方法进行分类，结果如下图所示。图1 电池SOC估算方法分类 2.1基于表征参数的估算方法指利用电池外部特性参数与SOC之间的映射关系，通过实验来表征电池行为，将电池参数与SOC的关系列表化，俗称查表法。这种方法能够简单快速的求得SOC值，但是有两个限制条件，其一是表征参数与SOC之间的关系需稳定，否则一一对应的查表法会带来极大的估计误差；其二是所选择的参数必须是较容易获得的，太难获取或者与SOC值之间关系不明确的参数不予考虑。目前常用的基于表征参数的估算方法有放电实验法、开路电压法、内阻法和电化学阻抗谱。 2.2基于定义式的估算方法又称作电流积分法或库伦计数法，是目前应用最广泛的锂离子电池SOC估计方法之一。主要通过计算一段时间内电流和充放电时间的积分，进而计算一段时间内放出的电量，估计电池的SOC。与其它SOC估算方法相比，安时积分法相对简单易行，但该方法也存在着两方面的局限性：其一，该方法更适合用于放电电流比较稳定的情况，在实际应用中，电动汽车在行驶状态下电池的放电电流很难达到持续稳定的状态；其二，该算法对SOC的初始值依赖性大，由于电流传感器精度不够、采样频率低、信号受干扰等原因，长期使用会导致测量误差不断累积扩大，因此需要引入相关修正系数对累积误差进行纠正。 2.3基于模型的估算方法该方法基于控制理论，根据研究对象的机理不同，对电池进行建模，再根据电池模型设计相应的滤波器或者估计器。主要包括电化学模型、等效电路模型等电池数学模型。 ①电化学模型（EM）：根据电化学反应过程计算电池的端电压和SOC，是一种基于多孔电极和溶液浓度理论的电池模型。主要反映电池内部化学反应机理，模型准确度高，但是很难确定所有的参数，具有巨大的计算复杂度和耗时性。 ②电化学阻抗模型（EIM）：可以准确描述电池特性，但在实际应用中匹配过程难度大、复杂并且不直观，并且阻抗模型只有在特定的SOC和温度有用，无法预测直流反应及电池运行时间。 ③等效电路模型（ECM）：用来描述和模拟电池的动态特性，它将电池看作一个二端口网络，用电压源、电阻、电容等器件组成电路，来模拟电池内部特性为了实现动态SoC估计，常将滤波器和观测器与电池模型相结合，构成基于模型的SoC估算方法。常用的滤波器和观测器有： ①卡尔曼滤波器(KF) ②粒子滤波器（PF） ③H∞滤波器（HIF） ④其他状态观测器（滑模观测器等）基于模型的估算方法使用闭环结构，通过不断不断的修正SOC估算值，使得SOC估算值不断的向真实值靠近，进而使算法具有一定的鲁棒性。具体如下图所示。图2基于模型的锂电池SOC估计方法结构图 2.4基于数据驱动的估算方法基于数据驱动的估算方法无需考虑电池内部复杂的化学反应机理，而是基于大量电池实验测试数据，来建立并训练电流、电压、温度等外部特性参数与SOC之间的映射关系模型。以神经网络模型为典型代表，该方法在忽略电池内部化学反应细节的同时具备极高的拟合能力，适用于各种动力电池的SOC估计，且估计精度高。但是训练需要大量的数据，计算量大，在实际应用中，必须配备高性能的芯片，使得BMS成本增加。图3基于数据驱动的估算方法 2.5混合方法将两种或多种方法结合应用，形成一种混合方法，可以利用不同算法的优点来有效提高SOC的估计性能。如利用数据驱动方法的优化方法结合基于模型的算法来提高SOC估计的准确性、鲁棒性和估算速度。对5类电池SOC估算方法的性能进行总结，结果如下表所示。表1各类SOC估算方法性能对比在对上述SOC估算方法的分析中可以发现，不同的估算方法各自的优缺点明显。目前国内实际应用的实时在线估算SOC的方法仍然以安时积分法为主，考虑到安时积分法自身的局限性，往往结合不同的修正方法共同完成对锂电池初始荷电状态的检测，在此过程中，传感器检测性能的优劣直接关系到电动汽车电池组的稳定性和可靠性。三、电流检测需求根据《GB/T 38661-2020 电动汽车用电池管理系统技术条件》标准中定义的BMS检测精度，对相关功能项目性能指标提出了要求。表2 电动汽车BMS性能要求 CSM系列电流传感器，基于MAGTRON自主知识产权iFluxgate®技术，具有高精度、低温漂、发热量低、响应速度快、模块化设计等特点。通过CE、RoHS认证，能够准确获取充放电电流，有效优化传统的充放电方式，延长电池使用寿命，节约能量。该系列电流传感器可广泛应用于需要精确测量电流的电池管理（SOC、SOE、SOF等）等应用场合，以及纯电动车、插电混合动力汽车及储能设备等领域，如新能源电动汽车的PACK、BMS、BDU、PDU等。图4 MAGTRON 电流检测方案参考文献：张照娓,郭天滋,高明裕等.电动汽车锂离子电池荷电状态估算方法研究综述[J].电子与信息学报,2021,43(07):1803-1815. 朱永康,王彦钦,任言政等.传感器技术在BMS中的应用与问题对策[J].汽车维修,2022(01):18-21. 谢思宇. 电动汽车锂离子电池SOC估算方法研究[D].天津大学,2019.DOI:10.27356/d.cnki.gtjdu.2019.004077. 赵轩,李美莹,余强等.电动汽车动力锂电池状态估计综述[J].中国公路学报,2023,36(06):254-283.DOI:10.19721/j.cnki.1001-7372.2023.06.021. 钟彦雄.电动汽车锂离子电池荷电状态估算方法研究[J].时代汽车,2023(05):109-111. 刘志聪,张彦会,王君琦.锂离子电池SOC估算技术进展综述[J].汽车零部件,2022(12):91-95.DOI:10.19466/j.cnki.1674-1986.2022.12.018.
2024-02-20
发表了主题帖：浅析锂电子电池化成分容中DC/DC变换器的应用

单位：浙江巨磁智能技术有限公司作者：吴伟斌一、引言据市场研究机构预测，全球电池化成分容产线市场规模在未来几年将继续保持增长态势。其中，亚洲市场增长速度最快，尤其是中国市场。中国政府对于新能源汽车和储能领域的支持力度不断加大，推动了电池化成分容产线的市场需求不断增长。图1 中国新能源汽车近三年销量根据中汽协数据显示，2022年全国新能源汽车产销达到705.8万/688.7万辆，同比增长96.9%/93.4%，市场占有率达到25.6%。2022年国内汽车行业受到了较大的考验，不过好在下半年国家出台了购置税减半优惠以及“新十条”出台疫情管控放开，整体车市有所回暖，其中比亚迪更是以186.8万辆的销量佳绩领先一众车企。中汽协预计2023年我国新能源汽车销量将达到900万辆，同比增长35%。图2 中国近5年新型储能市场装机量及预测根据CNESA 预测，我国未来5 年的新型储能市场将获得高速发展，复合增速将维持在50%以上，预计到2026年乐观状态下储能市场的累计装机将达到79.5GW，带动储能电池材料获得高速发展。 DC/DC变换器是将直流电源从一个电压级别转换到另一个电压级别。这种转换在许多领域都是必要的，在电池化成分容中也占据着重要地位。二、发展历程 DC/DC转换器的发展经历了多个阶段，主要包括线性稳压器、开关稳压器和多级变换器等。线性稳压器在早期被广泛使用，但效率较低，因为它将输入电压降低到所需电压时，会将多余的能量以热量的形式消耗掉。为了提高效率，开关稳压器开始被引入。开关稳压器通过控制功率开关器件的开关，将输入电压转换为高频脉冲信号，然后通过滤波器进行平滑，输出所需电压。开关稳压器的效率可以达到90%以上，提高了能量利用率。为了满足不同的电压要求，多级变换器逐渐兴起。多级变换器包括升压变换器、降压变换器和升降压变换器。升压变换器可以将低电压提升到高电压，适用于一些特定的应用，如太阳能系统、电动车等。降压变换器可以将高电压降低到低电压，适用于大多数电子设备。而升降压变换器则可以实现电压的双向转换，适用于需要电源切换的场景。随着微处理器的高速化发展，DC/DC转换器从低功率向中功率发展是必然趋势。因此，DC/DC转换器从251W到750W的增长速度也比较快，主要用于Service医疗和实验室设备、工业控制设备、远程通信设备、多路通信和传输设备等。三、基础原理解析 DC/DC变换器有多种类型，包括升压型（Boost）、降压型（BUCK）和升降压型（Buck-Boost）。选择哪种类型的转换器取决于所需的输出电压和电流，以及输入电压的范围。 Boost电路：通过控制开关管的通断时间来调节输出电压的大小。当开关管导通时，输入电压加在电感上，电流通过电感逐渐增加，同时电感储存能量；当开关管截止时，电感通过负载放电，放电电流逐渐减小，电感释放之前储存的能量。由于电感的磁通量在开关管导通和截止期间保持不变，因此输出电压的幅度高于输入电压；输出电压可以通过改变开关管的通断时间来调节。当开关管导通时间越长，电感储存的能量越多，输出电压越高。相反，当开关管导通时间越短，输出电压越低。图3 boost电路拓扑图 BUCK电路：当开关管导通时，电流从输入电源流过开关管和储能元件，储能元件开始储存能量。此时，输出整流器上的电压为零，因此没有电流流过负载。当开关管截止时，储能元件通过输出整流器和负载释放能量。由于开关管的截止，输入电源不再为储能元件提供能量，因此输出电压的幅度将低于输入电压。通过控制开关管的通断时间（占空比），可以调节输出电压的大小。在开关管截止期间，电感器的电流和电容器的电荷量必须连续，因此在开关管通断的过渡期间，会出现短暂的电压过冲或电流过冲。这些过冲可以通过适当的缓冲电路进行抑制。图4 buck电路拓扑图 Buck-Boost DC-DC变换器：通过采用一个LC并联谐振电路，把负载端的电感和电容串联起来，以达到双向功率转换的目的。当输出端电压高于输入端电压时，变换器工作在降压模式（buck mode）下，输出电压低于输入电压时，变换器工作在升压模式（boost mode）下，同时，将转化出的过剩能量通过电容器和电感储存，以备后续使用。四、化成产线电源架构 1、并联型化成分容电源架构图5 并联型化成分容电源架构采用“一对一”方式进行化成，通过AC/DC-DC/DC-Buck变换，转换为单体电池电压化成。并联架构经过多年的发展，已经非常成熟，由于是一个单体一个回路，所以整体安全性能高，受客户认可度高，但是由于其多回路特性，导致搭建成本较高，产品的一致性也会受到影响。 2、串联型化成分容电源构架图6 串联型化成分容电源架构串联型采用“一对多”方式进行化成，由于串联的电流大小相等，因此电芯化成一致性好，还可以节省20%~30%的生产成本，同时运维效率也能大大提高；然而，由于串联技术需要众多电芯串联在一起进行测试，对前道制造的电芯的一致性要求更高；同时，若串联中的某个电芯出现短路，可能会影响全盘电芯效果。两级式转换拓扑是化成中运用较广的变换技术，它采用两级结构来实现高效的电能转换是由两个独立的DC-DC转换器组成，第一级转换器将输入电压转换为中间电压，第二级转换器则将中间电压转换为最终的输出电压。这种拓扑结构可以实现更高的电压转换效率和更宽的输入电压范围。在两级式转换中，第一级转换器通常采用Boost电路或Buck电路，根据输入电压和输出电压的关系，将输入电压转换为中间电压。第二级转换器则采用隔离型拓扑结构，如Flyback、Push-Pull等，将中间电压转换为最终的输出电压。总之，两级式转换是一种先进的DC-DC转换技术，通过两级结构的优化设计，实现了高效率、宽输入电压范围、高输出功率和高可靠性的特点。它在各种需要高效电源管理的场景中具有广泛的应用前景。五、前景展望化成分容电源系统为直流系统，结合国家大力发展新能源，许多行业配套均引入光伏、储能系统，能有效减少由于电能变换带来的损耗，同时也可以响应国家削峰填谷的战略发展，推动产业绿色化发展。图7 化成分容电源系统六、化成分容MAGTRON电流检测方案 1、MCSD-200D/NP--采用双电源闭环磁通门原理，0.1%的精度，配合化成分容厂家产线的校准，能达到0.05%的精度，满足化成分容的高精度检测需求。 2、MIT-200S--采用多闭环磁通门技术，在全温环境下达到0.05%的精度，适用于对精度要求更高的产线及实验室环境使用。产品采用隔离式测量，适用于高压、大电流等环境，可靠性高，由于其坚固和耐用的设计，电流传感器可以在各种环境条件下稳定运行，无论是高温还是低温，干燥还是潮湿。此外，由于其较长的使用寿命和较低的故障率，使得电流传感器成为需要长时间运行和高度可靠的理想选择。浙江巨磁智能技术有限公司是一家充满活力和创新精神的企业，拥有一支高素质的研发团队和管理团队，秉承“创新、品质、服务”的经营理念，不断推陈出新，产品和技术服务得到了广泛的应用和认可。公司通过不断的技术创新和市场拓展，赢得了客户的信任和好评，建立了良好的品牌形象和市场口碑。图8 MAGTRON 电流检测解决方案参考文献： 1. 动力电池化成分容用双向宽范围能量变换拓扑架构及其控制。作者：许国。 2. Class-D CMOS Oscillators。IEEE Journal of Solid-State Circuits。2013，48（12）：3105-3119。 3. 17.3 A 1.25GHz Fully Integrated DC-DC Converter Using Electromagnetically Coupled Class-D LC Oscillators。IEEE International Solid- State Circuits Conference (ISSCC)。2021。 4. 基于LLC谐振变换器的双向DC/DC变换器。期刊：《电力电子技术》。2020年第007期。 5. 四电平浮动交错Boost DC/DC变换器研究。郑征、安江伟。 6. 储能双向DC/DC变换器自适应充放电无缝切换策略。张勤进，牛淼，刘彦呈，曾宇基，陈龙。
2024-01-22
发表了主题帖：浅谈新国标GB/T18487.1-2023充电桩的剩余电流检测要求

本帖最后由 MAGTRON- 于 2024-1-22 14:38 编辑单位：浙江巨磁智能技术有限公司作者：黄天啸一、标准修订历程 2023年9月7日，由工业和信息化部提出、全国汽车标准化技术委员会归口的GB/T18487.1-2023《电动汽车传导充电用连接装置第1部分：通用要求》和GB/T20234.3-2023《电动汽车传导充电用连接装置第3部分：直流充电接口》两项推荐性国家标准由国家市场监督管理总局、国家标准化管理委员会正式发布，标准于2023年9月7日实施。图1 GB/T18487.1、GB/T20234.3标准修订历程二、标准修订背景依据公安部交通管理局统计数据显示，截至2023年6月底，全国新能源汽车保有量达1620万辆，占汽车总量的4.94%。我国新能源汽车保有量从2015年的58万量发展至今年上半年的1620万量，由占汽车总量的0.34%提升至4.94%，这意味每100辆汽车中就有接近5辆是新能源汽车。当前我国新能源汽车市场已由政策推动发展到以市场推动，在全球新能源汽车市场中，份额占比已超60%。随着新能源汽车的市场保有量持续攀升，充电桩也加足马力地在全国铺展建设。中国充电联盟发布8月全国电动汽车充换电基础设施运行情况。数据显示，截至2023年8月，公共充电桩保有量为227.2万台，8月比7月公共充电桩增加6.1万台，同比增长39.9％。随着汽车充电桩的大量使用，老旧的充电桩的安全隐患及各类事故也开始频频发生。各种问题事故的发生也促进了充电桩新标准的修订需求。作为充电设备的总领性标准的GB/T 18487.1-2015《电动汽车传导充电系统第一部分：通用要求》颁布实施至今已有8年时间，新标准GB/T 18487-2023基于原标准的相关要求，总结吸取了市场上现存的各类问题隐患，着重在安全可靠性方面进行了额外的规定。图2 充电桩安全隐患事故三、充电桩的剩余电流（漏电流）检测要求新标准中对于充电过程的安全性与可靠性进行了进一步规定要求。尤其是对于充电设备的剩余电流检测要求，相较于原有的标准提出了更为安全可靠的保护措施。小编梳理了新旧标准的剩余电流要求异同点共大家分享。图3 GB/T18487.1-2015 交流桩剩余电流的保护要求图4 GB/T18487.1-2023 交流桩剩余电流的保护要求在GB/T 18487.1-2023的10.3 剩余电流保护器章节中明确要求，对于交流充电设备需要具备防故障电流的保护措施：其中最低的剩余电流保护要求由2015版标准的A型剩余电流保护升级到了至少为A型且直流6mA及以上的剩余电流保护。图5 各类型剩余电流的电流波形上图为各型号的剩余电流保护波形表，其中A型剩余电流的保护范围为交流剩余电流与脉动直流剩余电流。新标准中新增的便是6mA及以上的平滑直流剩余电流的保护。即我们目前市场上常称的A+6方案。图6 GB/T18487.1-2023 直流桩剩余电流的保护要求同时在新国标10.3.102章节直流供电设备剩余电流保护器中首次提出了在直流桩内可以配备同10.3交流供电设备剩余电流保护功能的保护器或保护单元来进行直流供电设备的剩余电流保护。这是2015国标中未提及的内容，在直流桩配备了剩余电流保护功能后将进一步提高直流桩的安全性与可靠性。四、新国标充电桩剩余电流更新检测直流电的原因对于剩余电流的检测，我们家用的漏保常用的是通过互感器去感知工频正弦的交流剩余电流。而互感器的原理是通过感知变化的磁场来检测电流值。直流电流所产生的直流磁场的特点是不随时间变化，磁场方向始终保持恒定。在直流剩余电流的应用场景中，传统的互感器将不再适用，如下图所示，下图为A型漏保中磁芯的磁化检测曲线。随着直流电流的增大，互感器磁芯的饱和将发生偏置，会导致出现互感器感知能力失准的现象，致使传统A型及AC型漏保无法正确的检测和保护，危及到人身安全。2023新标准完善了对于直流漏电的检测和保护要求，避免了直流剩余电流的安全隐患。图7 A型互感器在直流环境中的BH曲线图五、MAGTRON RCMU系列剩余电流传感器浙江巨磁智能有限公司，位于浙江嘉兴。是一家国内最早设计剩余电流检测芯片的公司。自主设计的磁通门iFluxgate®电流检测芯片拥有自主知识产权及专利，并批量应用于充电桩剩余电流保护传感器RCMU101系列中。磁通门的剩余电流传感器是目前市场上最适合充电桩剩余电流检测保护的器件，除了传统的交流电流外对于新国标要求6mA及以上的纯平滑直流也能够完美实现检测。对于新国标的升级，浙江巨磁RCMU101SN-E系列RCD采用端子外接穿线的设计方案。可以通过原国标板预置的外接插座端子，为客户实现快速升级到满足新国要求的方案。图8 MAGTRON RCMU系列剩余电流传感器图9 MAGTRON充电桩漏电流检测解决方案
2023-12-27
发表了主题帖：浅析印度新能源汽车充电桩市场及标准

单位：浙江巨磁智能技术有限公司（MAGTRON ）作者：洪行凯一、全球电动汽车销量全球新能源汽车销量和保有量在保持迅速地增长。结合相关数据，截至2022年底全球新能源汽车保有量超过2500万台。印度、美国、中国等不同国家的国家政策、经济水平等因素的差异导致了新能源汽车发展的区别。目前新能源车辆保有量高的主要为中国、美国以及欧洲国家，印度等国家暂时对全球新能源汽车市场影响较小。图 1 全球新能源汽车保有量占汽车比例二、印度电动汽车市场印度拥有全球第二大公路网，其公路运输占了全国货物运输总量的近64%，满足印度总客运量的约90%。据统计，印度已经超越中国成为了全球人口最多的国家。随着现在全球在积极推进的碳中和，印度的汽车电动化也会跟上大趋势，其发展的空间是非常巨大。印度政府对充电基础设施等的部署的补贴由2018年的100亿卢比（约合人民币10亿元）增加到现在的1000亿卢比。但是印度的电动车发展相比中国、欧洲和北美等国家和地区来说还是有些缓慢的。印度化石燃料价格飙升预计也是预计推动电动化的主要因素之一，随着汽油和柴油的价格飙升，燃油车的运营成本也随之增高。并且现在的锂离子电池成本也在持续下降，正向影响了电动汽车的市场增长。印度市场对价格高度敏感，这一变化趋势将较大推动其电动汽车的发展。三、印度电动汽车充电技术为了规范电动车辆的充电设施的建设和发展，早在2018年，印度能源部就制定发布了《电动车辆充电设施的指南和标准》，对电动车辆充电设施的建设，以及充电设施（充电接口及其形式、充电协议）和应满足的标准都做了详细的规定。印度《电动车辆充电设施的指南和标准》自2018年发布后，又做了几次修订。印度能源部于2022年1月发布更新版的《电动车辆充电设施的指南和标准》囊括了前面几年所做的修订。在新版《电动车辆充电设施的指南和标准》中对充电桩的建设密度也做了明确的规定，如在3km X 3km的区间（或网格范围）内应至少有一个公共充电站，在道路（或高速公路）两边，每隔25km至少有一个公共充电站，每隔100km至少要有一个快速充电站。新版《电动车辆充电设施的指南和标准》还有一个重要的内容就是对印度充电设施的技术要求做了明确规定（印度国家标准-IS标准）。下表展示各类充电桩所对应的标准等。表1 BIS：印度标准电动汽车充电设施指南和标准（2021/11/1）但是就目前的调研来看，印度的政策是接受所有类型的充电协议，比如中国标准（GB/T）、美国标准（UL）、欧洲标准（IEC）等。在印度运营的充电桩厂家几乎使用了全球所有的主流充电标准。在2017年以前印度使用的交流充电桩标准是基于中国标准（GB/T），唯一的区别只是在于电压等级和温度，交流的功率限制为10kw。印度标准局（BIS）成立的电工技术部（ETD）委员会主要负责编制EVCS的印度标准（IS）。而IS 17017系列标准是充电桩的主要标准，此标准是从IEC 61851系列标准衍生和改编的。其中充电设施所对应的AIS 138-1、AIS 138-2标准就是改编自IEC 61851系列。而印度中央电力局在2019年发布的CEA法规中对于电压变化、V2G过程、充电设施安全等方面的要求都是根据IEEE 519-2014电能质量要求标准来制定的。表2 充电桩等级分类汽车工业标准（AIS）给出的用于AC传导充电的印度充电标准为AIS 138：Part 1，此标准明确提出了对于AC传导充电所有方面的要求，例如充电的一般要求、充电模式、电动汽车供电设备（EVSE）的安全性等。此外，印度标准局（BIS）还发布了IS 17017系列标准,提出了兼容性和互操作性等的要求。 AIS 138：Part 1是2017年发布的交流传导充电标准，适用于1000V供电电压，并且将充电模式分为了慢充模式（单相最大额定电流15A）和快充模式（三相最大电流63A），提出了对于介电强度、绝缘、间隙距离、泄漏、保护和接地的要求，并且需要满足在不同的环境、机械、机电测试中确保设备的正常运作。此标准关键内容如下表：表3 IS 13：Part 1关键内容印度充电设施还有一个关键的标准是在2018年BIS推出的首个电动汽车充电标准IS 17017：Part 1（2018）.该标准重点关注了导电EV充电系统的一般要求、特性、操作和EV与EVSE之间的通信连接，适用于电源电压1000VAC，输出电压为1000VAC的EV系统。其中详细规定了电缆组件、结构要求、过载和短路保护等要求，并且提供了测试方法。印度标准跟中国、欧洲、美国等国家和地区的标准类似。如下图所示，罗列了从系统性能（System）、充电接口（Plug）、数字通信协议（Comm）和电磁兼容性（EMC）这四个方面跟GB/T、ISO、IEC相关标准的一一对应关系。图 2 各国标准对比四、总结总的来说，印度充电桩主流厂家还是会选择IEC的标准来执行。而在充电设施中漏电流的检测以及保护尤为重要。MAGTRON公司的Type A+DC 6mA/Type B型漏电流传感器，使用自主研发的磁通门传感芯片，打破国外专利垄断。并完美符合中国、欧美等国家和地区的漏电流保护要求。MAGTRON作为全球领先的漏电流保护方案供应商，也可根据实际需求协助客户完成各个标准漏电的认证。图 3 MAGTRON RCMU系列漏电流传感器参考文献： 1.《IEC 61851-1 Electric vehicle conductive charging system》 2.《GB/T 18487.1-2015 电动汽车传导充电系统》 3.《印度电动汽车充电标准概况》-www.zhihu.com 4.《2023市场和产业链发展深入研究》-https://mp.weixin.qq.com/ 5.《2023年印度新能源电动车及充电桩展EV INDIA》
2023-11-29
发表了主题帖：浅析电动汽车BMS的功能实现

单位:浙江巨磁智能技术有限公司作者：吴伟斌工业革命以来，汽车行业蓬勃发展，传统的燃油车在排放方面也给生态环境带来巨大的影响。2021年交通运输碳排放占全社会碳排放10.4%。绿色发展已成为全球共识，截至目前共有197个国家签署了《格拉斯哥气候协议》、138个国家做出了净零排放承诺。“能源电气化，电气绿色化”也是迈向碳中和的重要战略，因此发展新能源汽车不仅是我国从汽车大国迈向汽车强国的必经之路，也是应对气候变化、推动绿色发展的战略举措。电池是电动汽车的动力来源，其容量及能量密度影响着汽车的续航，其品质影响着汽车的安全性能。如何避免应用中的电池过度充、放电，改善电池组中各单体电池的不对称性，提高电池组的效率，延长其使用寿命都是电动汽车的关键技术问题。电池管理系统（Battery Management System, BMS）作为连接电动汽车电池组、整车系统和电机的重要桥梁，通过与动力电池紧密结合的传感器，对电池的电压、电流、温度等进行实时检测，实现对汽车电动系统的全面管理。总之，作为电池系统的核心，BMS在电动汽车中扮演着重要的角色。对BMS关键技术的探究具有重要意义。一、BMS的功能模块图1 BMS功能一览 BMS是动力电池的中枢，负责管理、维护、监控电池各个模块，肩负着安全保护、提高能量利用率、延长电池使用寿命、帮助电池正常运行的重任。 BMS主要的功能包括：电池物理参数实时监测、电池状态估计、在线诊断与预警、充放电与均衡管理、热管理及安全保护等等。二、功能核心技术实现 1、电池状态监测 BMS要实现诸多功能，首先得实现对电压、电流、温度等电池物理数据的采集。 1.1、电压监测电动汽车电池由几千节单体电池经过并联、串联组成，以满足汽车对电压及容量的要求。因此每只电池的状态变化都会影响电池组的性能。电压是反应电池运行状态的重要参数，因此必须对电压进行实时监测。 GB/T 38661-2020（电动汽车用电池管理系统技术条件）对电压检测精度有明确的要求，如图2所示：图2 GB/T 38661-2020对电压监测的要求 BMS主要利用专用的电池电压监测芯片对多单体电池的电压进行采集测量，也就是AFE芯片（Analog Front End）。目前市场占比较大的厂商有：ADI、ST、TI、NXP等。以ADI的LTC6811为例，图3是推荐采样电路图：图3 LTC6811推荐采样电路其中电池单体通过串联的方式依次叠加，采样芯片与电池连接如图所示，并且由100Ω的串阻及10nF的电容组成RC电路进行滤波，实现对电压的采集。由于芯片处理的是数字信号，而采集到的信号是模拟信号。所以LTC会通过ADC（Analog To Digital Converter，模数转换器）将采集到的模拟信号转化成数字信号进行计算、储存及显示。 1.2、温度监测温度对电池性能的影响是最大的，反映在电池容量、电压和使用寿命上：温度降低，电池内阻加大，电池化学反应速度放慢，导致电池功率和能量输出下降；温度升高，则会加剧电池内部的反应速度，但是较高的温度会破坏电池内部的化学平衡，影响电池的使用寿命。一般来说，锂离子电池适宜的工作温度为15°C~35°C，而电动汽车的实际工作温度为-30°~50°C。因此需要根据电池的温度进行散热或者供暖，也就是汽车的热管理。所以精确采集电池温度是及其重要的。 GB/T 38661-2020中对温度监测精度的要求如下：图4 GB/T 38661-2020对温度监测的要求对电池的温度采样电路，基本都是通过ECU测量外置的NTC电阻阻值，然后根据R-T曲线转换成电池的温度值。 NTC温度传感器主要以Mn、Cu等金属元氧化物为材料，经过陶瓷和半导体计算结合制成，其工作原理是：温度较低时，复合材料载流子数目少，电阻值较高，当温度升高时，载流子的数目相应增加，电阻对应降低，其R-T曲线如图5所示。图5 不同温度系数的热敏电阻R-T曲线由图5可以看出R-T曲线并直线对应关系，在低温中阻值变化较大，高温变化较小，测量时会有较大的误差，所以需要在工作电路中加入三极管，使测量精度更高，工作电路如图6所示：图6 温度采样原理图在低温时，传感器电阻值大，线路中仅10kΩ接通，三极管截止。此时传感器电阻值与10kΩ电阻阻值接近，因而测得数值更为准确；在高温时，传感器电阻值变小，届时阻值远小于10kΩ，ECU使三极管导通，电路通过1kΩ电阻与三极管串联后和10kΩ电阻并联，经过传感器搭铁，此时阻值与1kΩ相近，这样即使温度升高也能保证测量的准确性。 1.3、电流监测汽车动力电池的充电、放电功率都是非常大的，在BMS工作时，总电流是需要特别关注的参数之一。当发生短路、过流故障时，电流的检测就是保护电池的第一道屏障。电流的监测相比电压跟温度不同。在数量上，整个动力电池系统中只有一个总电流的信息需要监测；l在频率上，电流采样的频率会非常高以满足SOC（State Of Charge,电池荷电状态）评估的要求。 GB/T 38661-2020中对电流精度监测的要求如下：图7 GB/T 38661-2020对电流监测的要求目前应用在BMS中的电流采集方案有两种：一种是采用分流器，根据最基本的电压电流关系来进行测量；另一种是基于电流传感器的电流监测，其中分为霍尔传感器和磁通门传感器。 1.3.1、分流器方案分流器方案是在电池工作回路中串联一个分流电阻，然后通过测量两端的压降再根据欧姆定律计算回路电流，其原理图如下：图8 分流器测电流原理图其中的分流电阻是一个阻值非常小的电阻，市面上主流为0.1mΩ、0.15mΩ，而电动汽车的工作电流一般为500A，测量的压降往往在50mV以下，所以需搭配放大电路使用。 1.3.2、传感器方案传感器方案分为霍尔传感器和磁通门传感器，均为间接式测量方案。下图是霍尔电流传感器的原理图：图9 霍尔电流传感器原理图霍尔电流传感器是基于霍尔效应原理进行工作的。当原边线路通过电流时，电流会在磁芯上产生磁通量，在磁芯间隙中，霍尔元件的载流子受到洛仑兹力的影响，使运动的轨迹发生偏移，并在材料的两端产生电荷累积，形成垂直于电流方向的电场。也就是说当有原边电流通过时，霍尔元件会产生一个mV级的感应电压，再经过运算放大器等电子电路，转化成副边电流，从而计算出原边电流。磁通门电流传感器是利用被测磁场中高导磁铁芯在交变磁场的饱和激励下，其磁感应强度与磁场强度的非线性关系来测量电流的一种方式，工作原理如下图：图10 磁通门电流传感器原理图磁通门电流传感器工作时，其中的芯片会发出一个固定的高频率交流方波，使磁芯处在一个往复饱和的状态；当被测电流为0时，则检测线圈输出的感应电动势只含有激励波形的奇次谐波，波形正负上下对称(如图 10 右上方波形)；当由被测电流不为0时，被测电流会在磁芯中产生一个磁场，这个磁场会与激励信号的磁场叠加或抵消，叠加时使磁芯提前饱和，抵消时使磁芯延迟饱和，导致副边感应电流发生偏置（如图10右下方波形），此振幅差与被测电流成比例关系，因此通过测量此振幅差来计算被测电流。以上就是目前应用较多的电流检测方案，他们各有优缺点：分流器拥有精度高、温漂小、价格低及输出频率高等优点，但是不足的地方首先是会产生热损耗。假设电流为500A，会产生约25W的发热功率，这对PCBA来说是较大的发热，需要良好的散热设计。随着电动汽车里程容量提升，汽车的电流上限会提高，其发热损耗也会加大；其次是隔离问题，由于分流器是串联进主电路的，因此需要增加隔离器件对低压供电和CAN信号传输电路进行进行隔离保护，导致成本上升。霍尔电流传感器拥有价格低、响应快、电路简单等优点，但是由于实际使用上输入输出曲线并非完全的线性关系，因此在精度方面会比另外两种差。特别是在小电流测量时，误差凸显比较明显。磁通门电路传感器上限电流可以做到很大，并且受温度影响小、发热小、精度高，可以为BMS提供电流保护及SOC计算支持，也是目前市场上最受欢迎的方式。缺点是会受外部磁场的干扰，因此需要在设计时需考虑磁干扰。各个方法的特点总结入下表： 2、电池状态分析 SOC（State Of Chanrge，电池荷电状态）和SOH（State Of Health，电池健康状态）是电池系统中的2个重要参数，为电池安全保护、充放电控制、热管理等功能提供参考，因此精确及时的获取SOC/SOH信息对于提高电池寿命和保障电池安全至关重要。然而，作为电池内部参数，SOC特别是SOH无法被直接且准确的测量，只能通过处理电池的电气特性，对SOC/SOH进行估计。 2.1、SOC的估计 SOC是反映电池当前可用容量占最大可用容量百分比的一个参数，计算公式为： SOC就是我们常说的剩余电量，它的估算方法一般有直接法跟间接法，具体如下图所示：图11 电池SOC估算方法 2.1.1 安时积分法安时积分法是通过计算电池在充放电时测量电流对时间的积分来估计SOC的，计算公式如下：式中：t0为初始时刻；tk=t0+k* Dt, Dt为采样间隔；SOCk和SOC0分别为tk和t0时刻的SOC值；h为库伦效率；Ik-1为k-1时刻的电流。举个例子， 1组容量为100Ah的电池能够以100A电流放电1个小时。假如以50A电流放电1个小时，则SOC就为50%，那再以50A电流放电半个小时，则SOC就为25%。也就是通过能量守恒计算SOC，所以电流的采样精度越高、采样时间越快，那SOC的估算就越准确。但是从计算公式中不难看出，其中误差点也很明显： 1、SOC初始值，由于电池的启停是随机的，其起始和终止的状态无法确定，并且随着电池老化或者环境变化，会导致电池最大可用容量发生变化，因此很难获得准确的SOC初始值； 2、由于电流在运行中不是恒定的，采集过程中的误差会由于积分计算不断累积，导致SOC的误差逐渐增大，因此需做类似满充的矫正措施； 2.1.2、开路电压法开路电压法是一种查表法，根据测量到的电压，在SOC-OCV关系表中找到对应的SOC，部分SOC-OCV关系表如下图：图12 SOC-OCV关系表该方法在实际应用中主要会受到以下限制： 1、不同电池的SOC-OCV关系是不同的，需找到对应的关系图才能找出对应SOC； 2、此方法需要在电池处于平衡状态时精度才高，要达到令人满意的平衡状态，电池需进行长时间的静置； 3、有些类型的SOC-OCV关系在中部曲线非常平缓，导致很小的OCV误差也能导致很大的SOC误差。 4、电池老化及工作环境也会对SOC-OCV曲线有影响。目前SOC主流的估计方法是安时积分法跟开路电压法联合使用，再结合滤波、模型、温度等矫正方式进行测算。 2.1.3、基于模型的方法基于模型的方法首先建立电池数学模型，根据输入信号计算模型输出值，然后与实际值进行比较，不停的更新模型状态跟系统状态，给出SOC估计结果。不同的电池、不同的电路需要建立的模型不一样，导致此方法计算量较大。此方法目前也是主要的发展方向。 2.1.4、机器学习方法机器学习的方法是通过神经网络等算法拟合测量信号（电压、电流、表面温度等）与SOC的关系，根据测量信号直接对电池SOC进行估算。此方法需要大量的数据及计算，对硬件算力要求较高。出于成本的考虑，目前该方法的应用面较窄。 2.2、SOH的估算方法 SOH是用来评估电池老化或衰退程度的一个重要指标，该参数以百分比的形式表示健康状态，新电池的SOH为100%。其中电池容量和内部阻抗是计算电池SOH的常用指标，一般电池SOH低于80%就应该更换了。 3、电池能量控制电池是将化学能转化成电能的装置，在现代社会生活中的各个方面发挥有很大作用，其中核心是能量的存储与转化，也就是电池的充放电过程。 3.1、电池的充电原理以单节锂电池为例，电池的充电过程可以分为四个阶段：恒流预充、大电流充电、恒压充电以及充电终止。恒流预充：用于电池完全放电后恢复性充电，避免大电流充电对电池寿命产生影响。大电流充电：当电池电压上升到恒流充电阈值时，即能提高充电电流，进入快速充电阶段，电压会随着充电进行快速升高，直至电压达到额定电压。恒压充电：当电池电压上升到额定电压时，采取恒压充电，电流根据电芯的饱和程度，随着充电时间慢慢减少。充电终止：当电流强度减少到0.01C时，认为充电可以终止。电池组的充电过程与其类似，区别是电动车电池组是由电池串联及并联组成的，需要采取均衡充电方法，在各单体电池上加上并联均衡电路，起分流作用。当某个电池先充满时，均衡装置能阻止电池过充，将多余的能量转化为热能，并继续对未充满的电池充电。 3.2、电池均衡管理电动车电池组是由多个电池组成的，由于生产过程或者使用损耗等问题，各电芯的电量多少都会存在差异，其影响会导致相对较快充满的电池过充，由于保护电路的纯在，未充满的电池将会停止充电，造成容量丢失，而放电时为了避免电池过放，保护电路会在出现容量低于设置值的电池时切断供电，也会造成容量丢失，也就是“木桶原理”，因此，为了保持电池的一致性，则需要对电池组做均衡管理。其中均衡分为被动均衡跟主动均衡：被动均衡一般采用电阻放电，使较高电量单体放电至较低电量的单体一致。这种方法电路简单可靠，也是目前市场应用较多的方法。考虑到目前电动汽车的电池一致性越做越好，电池在长时间使用后的散差其实很小，因此被动均衡的性价比较高；主动均衡则是利用电容、电感或者DC-DC实现均衡。其原理是将高电量单体的能量放到电容等储能元件进行储存，再控制储能元件连接低电量单体进行充电。主动均衡具备电能利用率高、均衡速度快等优点，但是存在均衡电路结构复杂、成本高以及可靠性低等问题，目前有着较高的技术壁垒。 4、电池安全保护电池保护是BMS的核心功能，保障电池在常态及工作状态下都能安全运行，通常由保护电路板和PTC等电流器件协同完成。保护板是由电子电路组成，在-40℃至+85℃的环境下时刻准确的监视电芯的电压和充放回路的电流，及时控制电流回路的通断；PTC在高温环境下防止电池发生恶劣的损坏。 4.1、过充过放保护电池在充电前期为恒流充电，随着充电过程，电压会上升到额定电压，之后转为恒压充电，使充电电流逐渐降低，当电池的充电电路失去控制，会使电池压超过额定电压后继续恒流充电，此时会导致电池电压继续上升，电池的化学副反应将会加剧，造成电池损坏等安全问题；当电池加入过充保护功能时，实时电压超过额定电压时，IC首先会发出告警，提醒切断电流，如上升到一定电压，IC将会发出信号，强制断开充电电路，并且控制电池对外进行放电。放电保护原理也类似，当电池电压降低至告警值，保护电路会发出信号提醒电量过低，当放电至限制电压时，保护电路将发出信号使电路切断，保证电池电压不再降低，由于保护电路也是由电池进行供电的，因此保护电路需设计低功耗模式，供电池电量过低时使用。 4.2、过流保护由于电池的化学特性，电池放电电流强度最大不能超过2C，当超过此电流值时将会导致电池永久性损坏或者出现安全问题。下图是BMS电流采集原理图。为了保证信号的精度，传感器的输出信号一般都为电压信号，控制IC会对传感器信号进行处理。当电路中的电流达到设置值时，IC会输出一个开关信号，切断输出回路，起到保护电池的作用。图13 磁通门电流传感器在BMS保护的应用 4.3、温度保护电池组热管理是BMS的重要功能之一，其作用是使电池组能保持在合适的温度下工作，充分发挥电池组最佳工作状态。调整策略包括冷却、加热及温度均衡等。冷却和加热是针对外部环境温度对电池可能造成的影响来进行相应的调整，温度均衡则是减少电池组内部的温度差异，防止部分电池过热造成寿命快速衰减。汽车动力电池的冷却模式主要分为风冷、液冷和直冷三大类。风冷是利用自然风或者车内制冷风流经电池表面达到换热冷却的效果；液冷是利用专用的冷却液管路来加热或者冷却动力电池，目前这种方式是主流的方式，能同时起到冷却跟加热的作用；直冷系统则是使用制冷剂对动力电池进行冷却。 5、电池信息管理 BMS对电池参数、告警，都需要传输给对应的处理器，进行显示或者储存。使用在电动汽车上的传输方式主要为CAN（Controller Area Network，控制器局域网总线技术），主要用于汽车上各种传感器数据的传递。 Magtron采用磁通门原理打造高性价比、高精度、低零飘、高采集频率的电流传感器CSM系列，可用于电动汽车BMS系统。由公司自主研发的SoC芯片也可以为客户提供专有的技术解决方案，满足各项车规标准，基于市场实时的最新需求，不断升级完善，致力于解决工业、电动汽车、储能行业等各项电流、漏电流采集问题，为各行业电力设备保驾护航。参考文献： [1].李沂洹.《锂离子电池荷电状态与健康状态估计方法》 [2].朱永康.《BMS中传感器的应用与技术发展趋势》 [3].倪红军.《电池管理系统电压采样电路的设计与研究》 [4].GB/T 38661-2020.《电动汽车用电池管理系统技术条件》 [5].GB/T27930.《电动汽车非车载传导式充电机与电池管理系统之间的通讯协议》 [6].李林琳.《锂电池管理系统的研究与设计》 [7].董艳艳.《纯电动汽车动力电池及管理系统设计》

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