传感器在电池管理系统中应用

一路上

一、BMS中主要应用的传感器有电流传感器、温湿度传感器、电压传感器、位置传感器和气体传感器。

1电流传感器:

1.1霍尔电流传感器
霍尔效应（HallEffect）传感器变化的磁场转为变化的电压，其属于间接测量。可分为开环式、闭环式两类，后者精度较高。霍尔电流传感器简化了电路，仅要连通直流电源正负极，将被测电流母线穿过传感器便完成主电路和控制电路的隔离检测，如下图所示。传感器输出信号为副边电流，和原边电流（输入信号）成正比，数值较小，需进行A/D转换。霍尔电流传感器集互感器、分流器优点于一身且结构更为简单，但易受干扰，已不适用于越来越精密复杂的新能源电动车电源环境。

1.2磁通门电流传感器
磁通门原理（FluxGate）即为易饱和磁芯在激励电流影响下，激励电流大小改变电感强度，进而改变磁通量大小，磁通量则如同门那样打开或者闭合。
普通霍尔电流传感器精度在0.5%~2%之间，而磁通门电流传感器利用磁通门原理制作而成，精度能够达到0.1%甚至更高，因此也称之为高精度电流传感器。结构上有也有开口型和不开口型两类，即有开环和闭环两类。此处着重介绍闭环磁通门电流传感器，即放大磁通门激励电流二次谐波信号，驱动补偿线圈，使聚磁磁芯的磁通和原边电流的磁通相抵消，保持“零磁通”状态；对于HPIT系列磁通并不为零，是一种无二次谐波的对称形状，如下图所示。

磁通门电流传感器从结构上分为4类，见表1，分别是单磁环、双磁环、双磁环（屏蔽）、多磁环（嵌套）。由于集具磁通门原理高灵敏性、闭环磁平衡与匝比输出严格对应性、整体磁芯封闭性、探头补偿消除振荡谐波影响输出干净性等优点，因此闭环磁通门电流传感器被广泛应用于各型新能源电动车产品当中，如特斯拉Model3、比亚迪汉、理想ONE、小鹏P7等畅销车型。

1.3穿隧磁阻效应电流传感器
穿隧磁阻效应（TMR）电流传感器是全新一代磁敏元件，较霍尔器件、各向异性磁电阻（AMR）、巨磁电阻（GMR）相比（图6），其拥有能耗低、温漂低、灵敏度高等优点，能够明显改善电流检测的灵敏度与温度特性，故而在新一代新能源电动汽车电池管理系统中，被用于全面取代霍尔传感器。TMR电流传感器在检测电流时不再需要进行温度补偿，将-40℃~85℃环境下的温度漂移总量由1%~2%降低到0.1%~0.2%。
例如对于车载充电器的电流检测与控制上，其能够对铜排或导线电流的精准检测而使用芯片体积更小，精度、线性度、响应速度和温漂特性则更为优化，为新能源电动车带来极佳的安全性与经济性。

2温湿度传感器:

2.1NTC温度传感器
温度对于BMS性能发挥意义重大，为了进一步提升电池利用率，防止电池过度放（充）电，掌控电池工况，增加电池使用寿命，内置NTC温度传感器来监测温度。NTC温度传感器主要由Mn等高纯度金属元素的氧化化合物经过陶瓷技术和半导体技术结合制成，工作原理为这些材料载流子数目少，电阻较高，当温度升高时，载流子数目相应增加，电阻对应降低（图7）。其拥有电阻率高、热容小、响应快，阻值与温度线性关系优良，能弯曲、价格低、寿命长等优点。常用的有3类：地环外壳NTC温度传感器，俗称“地环型”；环氧树脂封装NTC温度传感器，俗称“水滴头”、“小黑头”；薄膜NTC温度传感器。

2.2HTW湿度传感器
湿度传感器就是一种把环境湿度量转变成能够被电信号标记的设备或者装置，常见的湿度传感器测量的量为相对湿度。现在新能源电动汽车BMS常用的湿度传感器有电阻式湿敏元件和电容式湿敏元件。其原理是在基片上涂敷一层用感湿材料膜，环境中水蒸气吸附在膜上时，元件电阻率、电阻值会变化，就能测出湿度。
HTW-211是引进国外的高精度湿度测量传感器模块，是基于HumiChip的精确且可靠的湿度测量传感器。湿度因素在新能源电动车电池管理系统中尤为难以捕捉，但对于电池的性能、寿命影响巨大。对传感器的湿度输出予以温度补偿，得到线性电压，输入到带有ADC的新能源电动汽车的BMS当中。

3电压传感器
电动汽车供电系统的电池组由几百个串联电芯联通，故而测量电压的通道需求较大。串联电池组为累计电压，但单个电池电动势并不相同，不能简单采用单向补偿法消去误差。电池电压采集需要高精度，达到1mV，而目前采集精度仅有5mV。
电压传感器能够让被测电池电压转换成可输出信号的传感器，新能源电动汽车用的电致发光效应电压传感器是测量发光材料在被测电压发光强度情况来获得被测电压有效数值。同传统的光学电压传感器相比，基于电致发光效应的电压传感器将不再用载波光源，一方面消除载波光源测量的不稳定性，另一方面也对传感器结构进行简化、降低生产成本。

4位置传感器
BMS中的位置传感器是一项《电池温控管理系统及电动汽车》实用新型专利当中提到的，目前在新能源电动汽车中尚未广泛应用。
位置传感器主要是用于检测BMS系统中水冷装置中冷却液面的位置情况。位置传感器被安装在冷却水浮漂上，用于对冷却液相对于膨胀水壶液面位置进行检测，得到膨胀水壶的出液口同所述液体的接触情况。通常至少需要3个浮漂，并在每个浮漂上安装位置传感器，以便于车辆在经过陡坡等路段或冷却系统中存有大量气泡时，BMS及时调节控制主水泵与副水泵进行切换运行。

5气体传感器:

新能源汽车动力电池热失控，电池起火前通常会产生大量 异常气体（一氧化碳/氢气/氟化氢/TVOC）等，通过CO传感器、氢气传感器诊断到故障后，发出预警，并要求整车控制器进行有效处理。电池管理系统 (BMS)全面监测电池的健康状况。不同的传感器各有优劣势，一般会通过多个不同的传感器检测动力电池热失控情况。

5.1一氧化碳传感器
为了尽可能减少人员伤亡及损失，及时发现火情，提前预警，显得非常重要。 动力电池热失控，电池起火前通常会产生大量CO，因此监控CO的浓度无疑是一种有效的解决方案。一旦超过报警阈值，启动报警启，疏散人员及启动灭火，从而争取到更多宝贵的时间。

5.2氢气传感器
对于新能源汽车而言，氢气传感器不仅能用于监测储氢瓶和燃料电池系统中氢气的泄露，还能用于检测排放尾气中的氢气浓度。新能源汽车也就能根据这些监测的信息来实时分析电堆的性能和反应程度，从而及时调整相关输入指标或数据配置来实现车辆的安全、高效运行。

二、电池管理系统传感器技术发展趋势

1功能集成化趋势
新能源电动汽车一直在朝向轻量化方向发展，与此同时对于部件的集成化要求更加严苛。BMS是一个结构复杂、功能集成的管理系统，其体积较小，因此要求传感器具备多功能一体性，进而能够用最少数量传感器就能够全面监控电池系统。在发生异常时，也能够更快更准的找到故障点。

2监测精准化趋势
未来产品对传感器技术的监测数据精度将越来越精细，对于电流电压、温湿度等数据的采集需要更精准的数据，从而提升用户对电池系统工况的准确掌握。下一步需要从理论仿真、实验研究两个方面同时入手，研究探索出新一代监测高效高精度的BMS传感器。

3产品安全化趋势
功能安全是新能源电动汽车的基本要求，也是传感器技术发展的必然趋势。一方面是需要确保传感器产品自身使用安全性，另一方面则是传感器支撑起来的整个BMS的安全性，这都将直接或间接影响行车安全性，影响用户的驾驶体验与人身安全。

三、总结

随着国内外新能源电动车产业的不断升级，越来越多的传感器技术将会应用到新能源电动汽车、BMS当中，应当把握良机为市场生产出更优质、更廉价的电动汽车产品和BMS。当然在新的传感器技术支持下，BMS也会由现在的“硬件+算法”体系升级到“数据+主动式管理”体系。