基于开关键控调制的下一代智能霍克蓄电池电力线通信
为了实现更广泛的信号监控和实现寿命及安全管理，下一代智能电池和智能电池管理系统（BMS）中的传感器种类和数量正在大幅增加，使得传感器与系统之间的通信成为关键挑战。传统的解决方案，如控制器局域网（CAN）总线和链式连接，无法支持嵌入式传感器的非侵入式信号传输，并且还会引入复杂的布线和高成本。本文提出了一种适用于动力锂电池和储能电池的电力线通信（PLC）系统。该系统针对电池通道的低阻抗特性，使用具有可调功率的开关键控（OOK）调制来传输电压、温度和阻抗等参数。载波频率（1/2/5 MHz）的影响，数据传输速率（50–500 kbps）和动态电流对通信质量的影响，使用50%荷电状态（SOC）的18s1p磷酸铁锂电池模块进行了研究。在世界轻型车测试循环（WLTC）动态电流条件下，系统实现了比特错误率低至10−5. 静态功耗为4.6 mW，在室温下以30天的放电时间为1.2 Ah，相当于每月自放电率为2.4%。经过物理层参数优化后，该系统在4s1p电池模块（四个50 Ah电芯串联）上进行了验证，确认了PLC在棱柱电池中的可行性。
介绍
锂离子电池目前是最受欢迎和最有前途的储能技术之一[1]。随着锂离子电池技术的进步，它们的能量密度、容量[2]、充放电速率[3]和电池尺寸不断增加。然而，与此同时，频繁的电池相关安全事件，包括新能源汽车的自燃和电池工厂的火灾，加剧了公众对电池安全的担忧。此外，锂离子电池的循环寿命有限。如何最大化其循环寿命[4]，并在使用中非破坏性和方便地估算其剩余寿命成为关键焦点[5]。
面对用户对高性能、高安全性和高稳定性的追求，现有的电池传感技术及电池安全和寿命管理技术越来越难以满足需求[6]。对电池运行状态的精确管理、智能操作和及时故障诊断提出了更高的要求，使得新型智能电池及其管理系统成为焦点[7]。越来越多的传感器被集成到电池模块甚至单个电芯中，形成智能电池电芯和智能电池模块[8]。
现有的电池管理系统通常仅依赖电压、电流和温度传感器 [9]，导致低维度且不足够准确的数据，限制了状态估计和故障诊断算法的精度和可靠性 [10]。当前的研究倾向于依赖有限的测量数据，采用复杂的算法来监测电池的工作状态 [11]。阻抗、应力、气压等参数的变化以及电池的内部信息仍然无法获得。然而，锂离子电池的性能、安全性和寿命从根本上是由其内部耦合的物理决定的。缺乏这些内部参数会阻碍对电池状态的准确评估 [12]。当电池电解质分解或电极膨胀导致异常气体压力、应力，甚至可能会发生热失控，温度传感器、气体压力传感器[13]和应力应变传感器[14]可以及时检测潜在的安全隐患。此外，在对电池施加预压后，端面压力会随着荷电状态的变化而变化[15]。健康状态的变化和应力-应变行为之间也存在相关性[16]。进一步的研究表明，低频阻抗或压力测量可以用于电池充电期间锂镀层的在线诊断[17]。这清楚地表明，纳入更多样化的数据可以提高现有算法的准确性。此外，现有的BMS中的温度传感器通常位于电池组或模块内。导致信息密度不足，阻碍了对电池温度数据的及时响应 [18]。这表明部署更多的传感器可以及时反映电池状态并提高算法性能。引入智能电池概念将电池物理测量技术提升到一个新水平。更全面和智能的单体电池传感技术可以进一步提高电池安全性和延长使用寿命。更全面和智能的单体电池感知技术可以进一步提升电池安全性和延长使用寿命。更全面和智能的单体电池感知技术可以进一步提升电池的安全性和延长使用寿命。
BMS的主要功能包括电池状态监测、充/放电控制、电池平衡和故障检测[19]。其通信系统必须确保电池数据交换的效率、准确性和可靠性[20]。传统的BMS通信依赖于控制器局域网（CAN）总线和链式拓扑结构。CAN总线需要专用的双绞线连接每个监测单元，这随着电池单元数量的增加变得越来越复杂。这导致了显著的线束重量、组装复杂性和连接器处的潜在故障点[21]。采用蓝牙低功耗（BLE）、Zigbee、Wi-Fi或近场通信（NFC）的无线电池管理系统（wBMS）解决方案提供了增强的灵活性、降低了封装复杂性并简化了维护。然而，在紧密排列的金属外壳内进行无线通信面临基本挑战：由紧密排列的金属电池外壳引起的信号衰减和多径效应、高电流电力电子设备的电磁干扰（EMI）以及外部信号拦截带来的安全风险增加[22]。电力线通信（PLC）提供了一种折中的解决方案，将有线通信的可靠性与无线方法的布线简单性结合在一起。PLC通过现有的电池母线传输数据，这些母线既作为电力导体又作为通信通道，消除了对专用通信电缆的需求，同时避免了无线技术在金属电池外壳中遇到的信号穿透问题[23]。与CAN总线相比，PLC减少了布线重量和连接器数量。与无线电池管理系统（wBMS）相比，电力线通信（PLC）避免了在金属电池结构内部射频传播固有的多径和屏蔽挑战。在其发展的过程中，PLC技术采用了各种数字调制技术。最早的X-10 PLC协议[24]使用了基本的幅移键控（ASK）。近年来，HomePlug和IEEE 1901等标准越来越倾向于使用正交频分复用（OFDM）来减轻由阻抗不匹配引起的多径效应[25]。像HomePlug和IEEE 1901这样的标准越来越倾向于使用正交频分复用（OFDM）来减轻由阻抗不匹配引起的多径效应 [25]。像HomePlug和IEEE 1901这样的标准越来越倾向于正交频分复用（OFDM）来减轻由阻抗不匹配引起的多径效应 [25]。
Landinger 等人实现了基于 Hartley 振荡器的离散 OOK 系统，使用 20.4 MHz 的载波在 6s1p 18,650 细胞上，实现了 1000 个传输数据包的零错误。[26] Vincent 等人采用 TI THVD8000 PLC 调制解调器 IC 在 21,700 2s2p 模块上，实现了比特错误率 (BER) 低于 0.005% 和约 48 mW 的功耗 [23]。Talie 等人设计了一个基于 10 MHz 频移键控 (FSK) 的电池 PLC 系统，通过高通滤器将调制信号耦合到电池总线，并成功传输了 16 位数据。[27] Marsic 等人提出了一种创新的有线 PLC 方案，使用商业射频收发器 (TI CC1200/CC2520)，利用 IEEE 802.15.4 标准在 868 MHz 和 2.4 GHz 上使用高斯频率移键控 (GFSK)/FSK，实现了在 18,650 个 4s1p 和 1s4p 模块中的零错误。[28]Hao 等人使用基于 quadrature phase shift keying (QPSK) 的 Yamar SIG102 对在 1 s–8 s 配置下，5–30 MHz 频段内的 LiNiMnCoO2 (NMC)、LiNiCoAlO2 (NCA) 和 LiFePO4 (LFP) 21,700 电池进行了全面比较，报告的 BER 从 1.02 × 10−6 到 3×10−5 (8s1p)。他们建议使用5-10 MHz频段作为大规模电池包间的CTP电池包 [29]。Koshkouei等人量化了电池配置（串联/并联）对高阶QAM电力线通信（PLC）错误行为的影响，并确定了一个围绕多GHz区域的宽可用带。测试的配置包括单电池、2S、2P和2S2P。他们发现了一个大约300 MHz带宽的可用带，中心频率约为3650 MHz，能够实现低错误率的1024-QAM传输 [21]。表1展示了在现有工作中使用的不同PLC技术的对比总结表。
正如之前的研究中提到的，OOK在所有PLC调制方案中所需的外部组件最少，具有低成本和低功耗的特点。此外，现有的实验已经表明，它可以获得可接受的比特误码率（10−5–10−6), 提供了足够的鲁棒性，并支持高达 500 kbps 的数据传输速率，这通常对 BMS 应用来说是足够的 [23]。对于 QAM 和 QPSK，它们的优势在于更高的频谱效率，并且由于更高的载波频率，它们可以实现更高的数据传输速率。然而，这些调制方案的复杂性和相关外围电路的要求增加了成本、功耗和电路面积，使得它们难以集成到单个电池单元上。FSK 在成本和功耗方面可与 OOK 相媲美，但成熟的集成芯片具有相对较低的通信速率（低于 10 kbps）。文献中关于高速 FSK 的实现依赖于低集成度的定制电路，这使得它们同样不适合集成到单个电池单元上。总之，本文决定在实验中使用基于OOK的芯片。
现有研究主要集中在小型圆柱形电池上，对于大容量棱柱形电池的 PLC BER 研究较少。大容量电池的阻抗比小型电池低，导致信号衰减更大；此外，现有研究中使用的电池组装方法与实际应用中有显著差异。目前最常见的电池组装方法是激光焊接，其中母线和电池通过激光焊接永久连接，而现有研究主要在实验室中使用各种电池支架和插座。因此，本文的主要创新之处是探讨了载波频率（1/2/5 MHz）、数据速率（50–500 kbps）使用18s1p LFP电池模块研究了通信质量的动态电流，并在4s1p模块上验证了系统集成能力。此外，设计了一个唤醒电路，以实现低待机功耗（4.6 mW）。
Fan等人[31]开发了一种适用于商业锂离子电池的可植入传感系统，该系统利用基于FSK调制的PLC来调制传感器信号到电池片上，从而实现电池内部的信号传输。他们的研究与我们的工作有部分相似之处：两者都在棱柱形电芯上进行实验，都利用电池片进行信号传输，并都实现了低功耗设计。然而，我们的工作有所不同，它从单个电芯扩展到4s1p和18s1p棱柱形电池模块。此外，我们在多个载波频率（1、2和5MHz）下以50-500kbps的数据速率（ contrast to Fan et al. 1200 bps）进行了动态电流条件实验。基于电池的MHz阻抗特性及实验分析，我们推导出了适用于在这些模块内部署PLC系统的物理层参数。
