高速信令的电池表征

推动电动汽车取得成功的一个关键组件是车辆的牵引电池及其功能安全性。监测整个电池组以及每一个锂离子电池非常重要，因为电动汽车中的恶劣环境可能会导致故障，需要非常快地检测到。相关的应力因素包括振动、机械冲击、大电流和极端温度。因此，电池的电压、电流、温度和阻抗都受到监督，这是电池管理系统(BMS)的一部分。利用电化学阻抗谱(EIS)，电池的复阻抗值随频率变化可以很好地测量电池内部温度、电荷状态(SoC)和健康状态(SoH)。此外，比较电池组阻抗与单个电池阻抗可以揭示即将到来的高接触电阻。

单个电池监测需要在物理上关闭电池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体电池组成，监测数据必须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。通常实现的雏菊链总线系统[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。这个有吸引力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。

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。关于这一主题的发表非常少，因为到目前为止，只有低于10 kHz的频率被考虑，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，需要一个高带宽的等效电路(EEC)模型。

细胞表征设置

获得EEC模型的第一步是对细胞进行表征。我们通过使用分流2端口VNA方法[3]测量高达300 MHz的单元阻抗来做到这一点。这种方法非常适用于低阻抗值[4]，这是电池电池的情况。如所述图1，端口1作为电流源，端口2检测电池上的电压。由于电池的欧姆非常低，大部分入射信号功率将被反射回端口1，导致S11接近负1。信号的一小部分将传输到端口2，并提供有关单元阻抗的有价值的信息

具有特性阻抗Z₀，在我们的例子中是50 Ω。直流块图1为防止直流电流流入VNA接口。

一个挑战是电池与基于VNA的SMA连接器的连接。连接必须在机械上和电气上都是稳定的，这样才能应用校准程序。为此，我们设计了一个两层印刷电路板(PCB)夹具来安装电池，如图所示图2．该板在顶层有两条微带线，连接正极电池端与SMA的内部导体，在底层有一个信号返回平面，连接负极电池端与SMA的信号返回导体。SMA插头通过直流排连接到VNA接口上。电池本身被放置在PCB的切口和接触是焊接。

图2所示。在上端口的100 MHz激励的夹具上的归一化电流分布^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的切口边缘最高，因此产生最低的回路电感。

去除单元阻抗

在对VNA进行SOLT (short, open, load, thru)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一起的“环路阻抗”。中的去嵌入模型图3显示这个环路阻抗是如何组成的。它包含了阻力R_细胞和自偏电感l_细胞，该模型为去嵌入过程的细胞建模，具有足够的精度。此外，它包含信号返回路径，这是由电阻建模R_返回和自偏电感l_creturn并且被插入两次，因为电流可以回到电池周围的右边或左边。互感系数米_CR考虑单元与信号返回路径[5]和元件之间的电感耦合l_TL而且C_TL建立输电线路模型。传输线由vna提供的端口扩展程序进行补偿。由此，得到了有效测量回路阻抗的结果图3是

为了消除夹具对测量结果的影响，必须从(2)中去除单元的阻抗。这是通过扣除由建模的寄生夹具效应得到的R_返回，l_creturn而且米_CR由于我们不知道这些元素的确切值，我们通过测量一个分析上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。第二次测量会有相同的寄生元素，因此两次测量结果相减Z_loop1而且Z_loop2从相互之间会抵消寄生元素的根据

由(3)可以看出，我们需要知道阻力R_铜和自偏电感l_铜铜圆筒，

可以用公式进行解析计算，也可以用三维EM模拟器进行模拟。当然，在这些元素中考虑了集肤效应，因此它们是频率相关的。在低频下，铜柱的实测阻抗明显高于三维模拟的护套电流阻抗。这种测量偏差可以通过用铁氧体芯线包裹同轴电缆来消除。

阻抗测量结果与结论

电池和铜筒都安装在夹具上，并使用所提出的2端口VNA方法进行表征。所述的结果中都有固定装置和脱嵌单元阻抗图4．此外，利用最小二乘拟合方法对去嵌入结果进行了简单的EEC模型拟合。对于低频，电池的阻抗低至40 mΩ，但对高频增加到40 Ω，主要是由于其感应电抗。因此，即使电池被认为是非常低的欧姆，在高频率下，我们在通过电池链发送高速信号时将面临较少的问题，因为其固有的感应行为会产生相当高的阻抗。不管这些结果如何，关于电池电力线上的数据传输的主要问题是其电磁兼容性，这是双重的:首先，通信非常容易受到电力电子器件产生的脉冲噪声的影响。这可以通过使用扩频技术来克服，例如跳频。其次，由于电池组并不总是被屏蔽，通信往往会产生额外的电磁辐射，这可能会违反法律限制。这些问题需要在今后的工作中进一步调查。

参考文献

1. Hong, H.， Sevillano, J.， Kain, C.， Hofer, G.等，“电池通信协议中的替代方案”，SAE技术论文2017-01-12,2017。
2. E.巴尔索科夫，J. R.麦克唐纳，编。，“Impedance Spectroscopy: Theory, Experiment, and Applications,”John Wiley & Sons公司霍博肯，新泽西州，2005年。
3. T. F. Landinger, G. Schwarzberger和A. Jossen，“高频电池阻抗测量的新方法”，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)《洛杉矶，新奥尔良，2019》，第106-110页。
4. Keysight科技，应用注5991-0213EN，第1- 17页。
5. C. L. Holloway和E. F. Kuester，“微带地平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。