[嵌入式]动力电池系统介绍（十）——电压采样

一、采样概述

BMS的采样一般说的是对电压、温度、电流的采样，所以我们说的采样模块一般包含电压温度采样模块和电流采样模块（图片来源于网络）。

• 电压温度采样模块的数量和位置一般根据实际电池模组情况去设置，基本的功能是完成对电池电压和温度的采集，通常是通过电池采样芯片（AFE）完成的；
• 电流采样模块一般是一个或两个（如果有功能安全要求的话一般设置至少两个），负责对电流的采集，通常是通过霍尔传感器和分流器完成的。
  由于采样包含的内容比较复杂，所以这次我们以电压采样作为切入点简单讲一下大致的原理。（由于水平有限，难免有错，烦请帮忙指出纠正，共同进步！）

二、采样精度

在实际应用中，国家标准和主机厂都会对采样芯片的采样精度有一定的要求。在GB/T 38661-2020 《电动汽车用电池管理系统技术条件》中，对于锂离子电池的精度要求如下：

一般来说，主机厂的要求都会比标准的严格不少，比如单体不超过3mV/5mV，电流不超过±1%FS之类，一般能量密度越高的电池，对于采样精度要求越是严格，就需要采样精度更高的采样芯片。

三、采样芯片

3.1 采样芯片选取

在BMS里面，AFE（analog front end）专指电池采样芯片，用来采集电芯电压和温度等。
不同系列的芯片硬件资源不同，最主要的不同点在于采样通道的数量、内部ADC的数量、类型和架构。
目前可供选择的一些AFE如下表（图片来源于微信公众号“新能源BMS”）。

选择AFE需要考虑到需求，而需求主要来源于两个部分：国内外标准以及客户；我们需要根据项目的实际情况去选择合适的AFE。之前我们的项目中比较常见的是LTC系列的AFE，它们的单体采样误差能做到5mV以内。
目前可以参照的标准是上面第二节提及的GB/T 38661-2020 还有行标QC/T 897-2011。标准规定的要求不是很严苛，基本都是必须满足的条件。在GB/T 38661-2020中还对测试条件做了说明：

来自客户的需求就比较琐碎了，其中影响AFE选择的主要就是电池模组的配置。例如一共几个模组，一个模组几串几并，采样精度需要多高，温度点数量需要几个，功能安全需求等级等等。
由于采样芯片的最大电压通道数是不连续的分布（6/12/18），所以需要选择合适的通道数量进行匹配，做到既不浪费也不勉强。
如果采样通道数量不够，还可能会涉及到跨模组采样，会把铜牌上的压降一起采回来，这需要采样通道可以承受住负压，并且需要做额外的电压补偿，根据项目不同采取的补偿方式也有可能大相径庭。

3.2 采样芯片中的电压采样原理

3.2.1 采样频率选择

以采样芯片LTC6811为例，简单说明一下ADC相关的内容：
LTC6811中有两个16位的ADC芯片，需要通过设置寄存器参数，去选择合适的过采样频率（一般由软件工程师去设置相关底层寄存器参数，normal mode是7kHz）：

3.2.2 采样原理介绍

LTC6811中的采样芯片是Delta-Sigma(Σ-Δ)型 ADC。
常见的ADC有Σ-Δ与SAR型，关于他们的区别可以参考： SAR ADC和sigma delta ADC的区别
Delta-Sigma(Σ-Δ)ADC可以达到很高的精度，通过过采样、数字滤波器消除量化噪声实现高分辨率，适用于低频模拟信号的高速率高精度采样。
下图是芯片手册中截取的调解过程图：

以上的调制过程与以下的模型对应：通过Delta Sigma调制器把输入信号Vin（模拟）调制成方波形式的PCM信号。

关于这种类型的ADC，推荐两个个人感觉相对比较容易理解的链接：
采样调制过程可参考： Σ-Δ ADC的高精度数模转化，是如何实现的？
采样原理方面可参考： 模拟IC设计——sigma delta ADC原理分析。

除了基本的采样功能，一般来说采样芯片还能进行采样故障诊断，芯片手册中比较详细地介绍了一下诊断的原理。目前因为接触得比较少，怕误导大家，所以这部分就先不展开说明了，如果有兴趣可以多跟底软的同事多请教学习。

3.2.3 采样芯片中推荐的电压采样电路

电池单体通过串联的方式依次叠加，采样芯片的采样通道也按照次第的顺序往上叠加，然后通过经典的RC滤波电路来实现电池单体电压采样。以下是LTC6811芯片手册中推荐的电路及其推荐RC值。

四、电压采样偏差

第四章节内容摘取自微信公众号“新能源BMS”，侵删。
在下面的采样电路简图中，r代表电芯的内阻和电芯铜排连接阻抗之和；Rc代表连接器的接触阻抗与外部采样线束的阻抗之和；Rm代表厂家推荐的采样通道串联电阻；Ri代表AFE内部的等效电阻。r一般是μΩ级别，Rc一般是mΩ级别，Rm是100Ω到10KΩ，Ri是MΩ级别。

4.1 Rc造成的采样偏差

Rc是采样线阻抗与连接器的接触电阻之和，它最恶劣的情况是开路，但一般AFE都有断线检测机制，可以识别出来此故障；另外一种情况就是连接不良，此时阻抗可能很大，需要格外注意。当Rc可以和Ri比拟时，就会对电芯进行分压，进而造成电压采样结果出现偏差。

这种情况在日常测试中也经常出现，比如在使用电池模拟工装时，如果工装上同一个通道，并联接入很多采样线束的话，就很容易出现采样偏差，原因就是接触不良。
另外，即使Rc接触良好，我们也要注意一种情况，就是AFE的供电线内与采样线公用问题。具体如下图，因为AFE需要由电芯供电，电流大概为10mA左右，如果它与采样线共用一根线，就会在Rc上面呢有个压降，可能会造成采样偏差。

所以很多产品实际单独走了一条线，用来供电，如下图；除此之外还有一条供电地线。这样操作可能会引入另外一个问题，就是断线检测正确识别问题，需要特别确认。

4.2 Rm造成的采样偏差

Rm是采样通道上的串联电阻，一般厂家会有推荐范围；厂家的推荐值可能是从三方面进行考虑的：
（1）设置固定的滤波截止频率，匹配AFE内部的滤波采样电路与时间，实现高精度；例如ADI推荐的Rm为100Ω，TI推荐的是100Ω~1KΩ，NXP推荐的更大。
（2）AFE通道的漏电流问题，如果漏电流大的话，Rm一定不能太大，否则会在Rm处产生足以影响采样精度的压降。
（3）热插拔防护。

4.3 Ri造成的采样偏差

Ri是指AFE采样通道内部的等效电阻，厂家可能还会以通道漏电流的形式给出。它的大小直接影响采样精度，因为它与Rm乘积就是通道上面的压降；
下图分别是TI/ADI /NXP规格书中漏电流的标称值，如果想在电路中加稳压管进行热插拔防护的话，一定要选择好稳压管的漏电流。