推动电动汽车成功的关键部件是汽车的牵引电池及其功能安全性。监测整个电池组和每一个锂离子电池是非常重要的，因为电动汽车的恶劣环境可能会导致故障，需要非常快速地检测到。相关的应力因素有振动、机械冲击、大电流和极端温度。因此，电池的电压、电流、温度和阻抗都是电池管理系统(BMS)的一部分。利用电化学阻抗谱(EIS)，电池的复阻抗值在频率上可以很好地测量电池内部温度、荷电状态(SoC)和健康状态(SoH)。此外，比较电池组阻抗与单电池阻抗可以揭示即将到来的高接触电阻。

单电池监测需要在物理上靠近电池进行，以减少阻抗测量误差。因此，监控电子设备需要放置在尽可能靠近电池的地方。由于牵引电池由数百个单电池组成，而且需要将监测数据传输到中央电气控制单元(ECU)进行处理，因此需要大量的通信总线接线。通常实现的菊花链总线系统[1]的替代方案是直接通过电池链发送高速通信信号的方法。这种吸引人的解决方案不需要任何额外的电线，因为电池被用作通信通道。

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每道224 Gb/s:选择和挑战

要回答这个问题，这种新方法是否可行，我们需要更多地了解锂离子电池的高频行为。关于这个主题发表的文章很少，因为到目前为止只考虑了低于10 kHz的频率，例如在EIS中，因为电化学过程不会发生得更快[2]。但是，在固定的时间间隔内传输所有单元的监控数据，至少需要1mbit /s的数据速率。为了预测电池在如此高的数据速率下的性能，需要一个高带宽电等效电路(EEC)模型。

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细胞特性的设置

获得EEC模型的第一步是对细胞进行表征。我们通过使用并联2端口VNA方法[3]测量高达300 MHz的电池阻抗来实现这一点。这种方法非常适用于低阻抗值[4]，这是电池的情况。中所描绘的一样图1，端口1作为电流源，端口2感知电池的电压。由于电池的欧姆非常低，大多数入射信号功率将被反射回端口1，导致S11接近于负1。信号的一小部分将传输到端口2，并根据给出有关电池阻抗的有价值的信息

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特性阻抗Z0，在我们的例子中是50 Ω。直流阻塞图1是为了防止直流电流流入VNA端口。

一个挑战是电池与基于VNA的SMA连接器的连接。该连接必须是机械和电气稳定，以便校准程序可以应用。为此，我们设计了一种双层印刷电路板(PCB)夹具来安装电池，如图所示图2．该板的顶层有两条微带线连接电池正极与SMA的内部导体，底层有一个信号返回平面连接电池负极与SMA的信号返回导体。SMA插头通过直流模块连接到VNA端口。电池本身被放置在PCB的插口和接点被焊接。

图2所示。夹具上的归一化电流分布，用于在上端口进行100mhz的激励3.．

使用CST Microwave Studio®模拟板上的电流分布，如图所示图2．电流密度在PCB的切口边缘是最高的，因此创造了最低的回路电感。

去嵌入单元阻抗

在对VNA进行SOLT(短、开、载、通)校准后，测量参考平面位于夹具的两个SMA插头X1和X2上。使用这种配置，阻抗测量将导致夹具和电池的“回路阻抗”。去嵌入模型图3显示了这个环路阻抗是如何组成的。它包含了阻力R细胞还有自偏电感l细胞，为去嵌入过程对单元建模，具有足够的准确性。此外，它包含信号返回路径，这是由电阻建模R返回还有自偏电感lcreturn并且插入两次，因为电流可以返回到电池周围的右侧或左侧。相互电感米CR考虑电池与信号返回路径[5]和元件之间的电感耦合lTL而且CTL建立传输线模型。传输线由vna提供的端口扩展程序补偿。由此得到的有效测量环路阻抗的推导图3是

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为了消除夹具对测量结果的影响，电池的阻抗必须从(2)中去嵌入。这是通过扣除由R返回，lcreturn而且米CR由于我们不知道这些元素的确切值，我们通过测量一个解析已知的参考阻抗来实现去嵌入，这是一个与电池尺寸相同的实心铜圆柱体。第二次测量将有相同的寄生元素，因此减去两次测量结果Zloop1而且Zloop2寄生元素彼此相依就会消去

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从(3)可以看出，我们需要知道电阻R铜还有自偏电感l铜对于铜圆筒，

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可以通过公式进行解析计算，也可以使用3D EM模拟器进行模拟。当然，蒙皮效应被考虑在这些元素中，因此是频率依赖的。在低频时，铜圆筒的测量阻抗明显高于3d模拟的鞘电流阻抗。这种测量偏差可以通过用铁氧体芯包裹同轴电缆来消除。

阻抗测量结果与结论

电池和铜圆筒都安装在夹具上，并使用提出的2端口VNA方法进行表征。装置和去嵌入的电池阻抗的结果描述在图4．此外，利用最小二乘(LS)拟合方法对去嵌入结果进行了简单的EEC模型拟合。在低频时，电池的阻抗低至40 mΩ，但在高频时增加到40 Ω，这主要是由于其感抗。因此，即使电池被认为是非常低的欧姆，在高频率下，我们将较少面临通过电池链发送高速信号的问题，因为其固有的感应行为产生了相当高的阻抗。不管这些结果如何，关于电池电源线上的数据传输的主要问题是它的电磁兼容性，这是双重的:首先，通信非常容易受到电力电子产生的脉冲噪声的影响。这可以通过使用扩频技术如跳频来克服。其次，通信往往会产生额外的电磁辐射，这可能违反法律限制，因为电池组并不总是屏蔽的。这些问题需要在未来的工作中进一步研究。

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参考文献

  1. Hong, H.， Sevillano, J.， Kain, C.， Hofer, G.等人，“电池通信协议的替代方案”，SAE技术论文2017-01-1212,2017。
  2. 巴苏科夫和麦克唐纳，编。，“Impedance Spectroscopy: Theory, Experiment, and Applications,”约翰·威利父子公司公司，新泽西州霍博肯，2005年。
  3. T. F. Landinger, G. Schwarzberger和A. Jossen，“一种新的高频电池阻抗测量方法”，2019 IEEE电磁兼容性、信号完整性和电源完整性研讨会(EMC、SI和PI)，新奥尔良，洛杉矶，2019，第106-110页。
  4. Keysight技术,达成。注5991-0213EN，第1- 17页。
  5. C. L. Holloway和E. F. Kuester，“微带接地面的净电感和部分电感”，《IEEE电磁兼容性汇刊》，第40卷，no。1，第33-46页，1998年2月。