技术指南:优化电池管理系统,不可忽视的接地技术细节

科技   2024-11-03 21:56   浙江  
在电池运行环境下,电池管理系统(BMS)的接地考量对于保障安全、实现功能性以及确保精确的电池监测具有关键意义。核心要点涵盖确保BMS电路与底盘之间达成电气隔离,从而防止接地回路及干扰现象的发生,以此确保测量的精准性。适宜的接地为故障电流开辟了通路,削减了电击风险,并且应当遵循相关标准及法规。稳定的接地对于精确的电压及电流读数至关重要,能够如实反映电池的真实状态。有效的接地操作还可使共模噪声降至最低,减少电磁干扰(EMI),并确保BMS的精确运作。此外,接地应具备抵御电磁及射频干扰的能力,这在电动汽车等对EMI敏感的应用场景中显得尤为关键。

隔离和接地分离的概念阐述

    一、安全接地 

安全接地在保护人员方面起着至关重要的作用。它是通过将设备的金属外壳与地面相连,从而构建起一条确保故障电流能够安全地流向地面的路径。这样一来,在诸如绝缘击穿或短路等故障发生时,就能防止过大的电流流经人体,进而保障人员的安全。

    二、电磁兼容性(EMC)接地 

    • 重要性及作用原理:EMC是接地所涉及的另一个关键要素。适当的接地措施能够有效地将电磁干扰(EMI)降至最低程度,从而确保那些对电磁场敏感的电子设备可以在不受外部电磁场干扰的情况下正常运行。 

    • 与安全接地的区别:与安全接地有所不同的是,EMC接地并非总是要与地面直接相连。它常常会借助屏蔽或者导电平面等方式来达到减轻EMI的目的。

    • EMI的产生及影响:当电子电路与外部电磁场之间发生相互作用时,就会产生EMI。这种干扰会对设备的正常运行造成扰乱,并且还会对电源质量产生不良影响。


BMS接地相关要点

在电池管理系统(BMS)中,接地对于保障电压和电流测量的准确性具有极其重要的意义。 
一、对电压测量的影响
    • 准确性依赖接地参考:准确的电压测量必须以稳定的接地参考为前提。
    • 接地不当的后果:若BMS接地连接出现问题,比如连接不当或者受到噪声干扰,那么电压读数就很可能会发生失真的情况。

二、对共模噪声的作用 
适当的接地有助于对共模噪声进行抑制,例如能够减轻可能会耦合到电压测量电路中的电磁干扰,进而避免其对测量准确性造成不良影响。

图1.简化后的16芯电池组方框图

通信接口的重要性:通信接口在BMS中至关重要,原因有多个。首先,它们使数据交换成为可能。BMS持续从电池单元、传感器和其他组件(包括电压、电流、温度、充电状态(SoC)和健康状态(SoH))收集数据。通信接口促进了这些数据传输到外部系统进行分析、控制和决策。
不同类型的电气系统:表1显示了接地和悬浮系统之间的选择取决于应用的具体要求,强调了安全、稳定性和隔离需求等因素。

表1.接地和浮动系统的示例

GND引脚连接和隔离器的作用:在PCB和通信接口之间连接GND引脚有几个含义。首先,这种连接直接将PCB和接口的接地参考点联系起来,意味着它们共享一个通信和电压测量的共同参考点。然而,这也为BMS PCB的接地噪声提供了可能转移到接口和笔记本电脑USB接口的路径。同样,来自笔记本电脑的噪声也会影响BMS PCB。
确定隔离器的需求:决定是否在USB端口和PCB通信线路之间包含隔离器取决于几个因素。通信线路对噪声和电压波动的敏感性至关重要,尤其是在高速或精密数据线中,噪声是一个显著的问题。操作环境是另一个因素;在嘈杂环境中运行的系统,如靠近电动机或工业机械,更有可能遇到更高水平的电气噪声。可靠性要求也很重要;在关键应用中,通信必须是可靠的,没有错误或干扰。
隔离器的优点和缺点:使用隔离器有几个优点。它防止了接地回路,消除了噪声的一个重要来源。它还保护了笔记本电脑和系统接地之间的大电位差,保护了USB端口和接口。此外,通过最小化从USB侧进入通信线路的噪声,它增强了信号质量。然而,隔离器也有缺点。它们增加了接口设计的成本,并引入了额外的组件和设计考虑。某些类型的隔离器也可能对最大数据传输速度有限制。
替代全隔离的方法:而不是全隔离,也可以采用其他策略。仔细的接地实践,如良好的PCB布局和接地技术,可以最小化接地回路电位。在通信线路上添加滤波器可以抑制高频噪声。此外,在电池组和测试系统或外部通信接口之间进行其他连接之前,将隔离的电池组接地连接到地面,可以帮助平衡接地。
连接场景:以下是不同连接场景中BMS接地问题的描述。假设电源正在为评估套件的电阻梯度供电,但在所有情况下,接地连接至关重要。

避免的情况-为确保正常运行和安全:

    • 优先标准供电 - 如果使用电阻梯度,始终使用台式电源的正负端子为BMS电路供电。首先将电源接地端子连接到BMS接地端子,以确保适当的接地参考,并避免与移位接地参考相关的风险。

    • 接地笔记本电脑 - 只要可能,确保使用电源电缆对笔记本电脑进行接地,以最小化噪声和通信问题。

    • 考虑隔离 - 如果由于测试要求某些情况不可避免,向接口添加隔离电路可以显著提高通信可靠性,通过打破接地回路和减少噪声。这就是为什么瑞萨在评估套件中提供的接口中提供隔离的原因。


额外提示:

    • 安全第一 - 在使用BMS电路时,优先考虑安全,避免可能影响其准确监控和保护电池能力的情况。

    • 静电放电预防 - 小心地处理未接地的设备,以防止对BMS电路造成静电放电(ESD)损坏。瑞萨建议在将接口通过USB电缆连接到桌面或笔记本电脑之前,先连接BMS PCB到电源并供电。

    • 参考数据表 - 参考BMS组件和接口的数据表,以了解它们的接地要求和潜在限制。


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