并網(wǎng)電池陣列是可行的備用電源和便攜電源解決方案；專用測量 IC 可滿足 獨(dú)特而復(fù)雜的要求，確保實現(xiàn)可靠的系統(tǒng)性能。
使用大規(guī)模電池陣列作為備用和便攜儲能裝置正受到越來越多的關(guān)注，特斯拉汽車公司近期針對家庭和辦公應(yīng)用推出的 Powerwall 系統(tǒng)就是明證。在這些系統(tǒng)中，電池不斷通過供電電網(wǎng)或其他電源充電，然后在用戶需要時通過DC/AC逆變器將交流電源輸送給用戶。
使用電池作為備用電源并不新鮮，許多系統(tǒng)都提供從基本的 120/240Vac 和數(shù)百瓦（用于臺式電腦短期備用），到數(shù)千瓦備用電源（用于船舶、混合動力車或純電動汽車等特種車輛），用于電網(wǎng)規(guī)模電信和數(shù)據(jù)中心的備用電源則高達(dá)數(shù)百千瓦（見圖1）。然而，盡管大家普遍關(guān)注電池化學(xué)技術(shù)方面的進(jìn)步，但就切
實可行的電池安裝方案而言，電池管理系統(tǒng)(BMS)部分也同樣重要。
圖1.基于電池的備用電源非常適合數(shù)千瓦至數(shù)百千瓦的固定和移動應(yīng)用，并且可以在各種應(yīng)用中提供可靠有效的電源
在實施儲能電池管理系統(tǒng)時存在許多挑戰(zhàn)，其解決方案不能簡單地從小規(guī)模、低容量的電池組進(jìn)行擴(kuò)展，而是需要新的、更復(fù)雜的戰(zhàn)略和關(guān)鍵支持組件。
第一個挑戰(zhàn)是許多重要電池電芯參數(shù)的測量需要高精度和可信度。此外，其子系統(tǒng)必須采用模塊化設(shè)計，允許根據(jù)應(yīng)用的具體需求定制配置，并考慮可能進(jìn)行的擴(kuò)展、整體管理問題和必要的維護(hù)。
大型存儲陣列的工作環(huán)境也帶來了其他重大挑戰(zhàn)。盡管存在高電壓/電流逆變器和隨之產(chǎn)生的電流峰值，BMS 仍然必須在噪聲很大的高溫電氣環(huán)境中提供精確、一致的數(shù)據(jù)。此外，它還必須提供關(guān)于內(nèi)部模塊的大量精確數(shù)據(jù)和系統(tǒng)溫度測量，這對于充電、監(jiān)控和放電至關(guān)重要，而不僅僅是提供一些粗略的匯總值。
由于這些電力系統(tǒng)承擔(dān)著基本工作任務(wù)，因此其運(yùn)行可靠性至關(guān)重要。為了實現(xiàn)這些目標(biāo)，BMS 必須確保數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和完整性，同時不斷進(jìn)行狀態(tài)評估，以便能夠持續(xù)采取必要的措施。實現(xiàn)可靠的設(shè)計和安全性是一個多級過程，BMS必須預(yù)測問題，執(zhí)行自測，并對所有子系統(tǒng)進(jìn)行故障檢測，然后在待機(jī)和操作模式下執(zhí)行適當(dāng)?shù)牟僮�。最后，由于高電壓、高電流和高功率電平，BMS 必須滿足許多嚴(yán)格的監(jiān)管標(biāo)準(zhǔn)。
通過系統(tǒng)設(shè)計將概念轉(zhuǎn)化為實際方案
盡管監(jiān)控可充電電池的概念很簡單（只需在電池兩端設(shè)置電壓和電流測量電路），但BMS的實際情況完全不同，而且要復(fù)雜得多。
可靠的設(shè)計首先要全面監(jiān)控單個電池電芯，這就對模擬功能有很高的要求。電芯讀數(shù)需要精確到毫伏和毫安，電壓和電流測量必須時間同步以計算功率。BMS還必須評估每個測量值的有效性，需要較大限度地提高數(shù)據(jù)完整性，同時必須識別錯誤或可疑讀數(shù)。它不能忽略可能表明潛在問題的異常讀數(shù)，但同時也不能基于錯誤的數(shù)據(jù)采取行動。
模塊化BMS 架構(gòu)可提高穩(wěn)健性、可擴(kuò)展性和可靠性。模塊化還有助于根據(jù)需要在數(shù)據(jù)鏈路的分段之間使用隔離，較大限度地減少電氣噪聲，提高安全性。此外，包括CRC（循環(huán)冗余校驗）誤差檢測和鏈路確認(rèn)協(xié)議的先進(jìn)數(shù)據(jù)編碼格式可確保數(shù)據(jù)完整性，以便系統(tǒng)管理功能確信其接收的數(shù)據(jù)就是發(fā)送的數(shù)據(jù)。
例如，Nuvation Engineering 公司（加利福尼亞州滑鐵盧、安大略和森尼韋爾）開發(fā)的可擴(kuò)展、可自定義電池管理系統(tǒng)就采用了上述原則。實踐證明，Nuvation BMS中的電網(wǎng)儲能系統(tǒng)和備用電源設(shè)備設(shè)計非常成功，其中可靠性和堅固性至關(guān) 重要。這個現(xiàn)成 BMS 的核心優(yōu)勢在于其包含三個子系統(tǒng)的分層分級拓?fù)洌▓D 2），每個子系統(tǒng)都具有獨(dú)特的功能，如圖 3 所示。
圖 2.Nuvation Engineering 電池管理系統(tǒng)是交流電網(wǎng)和電池電芯陣列之間的接口；它提供先進(jìn) 的電池充電/放電監(jiān)控以及 DC/AC 逆變器功能
圖 3.Nuvation BMS 的三個主要子系統(tǒng)（電池電芯接口、電池堆棧控制器、電源接口）采用模 塊化分層設(shè)計，可在各種功率電平下實現(xiàn)可擴(kuò)展性、穩(wěn)健性和可靠性
電芯接口嚴(yán)格管理和監(jiān)控電池堆棧中的每個電池電芯；系統(tǒng)根據(jù)需要使用盡可能多的電芯接口，具體取決于電池堆棧的數(shù)量。這些接口可根據(jù)電芯數(shù)量以菊花鏈形式連接，從而使堆棧電壓增加。
電芯接口連接到單個堆�？刂破鳎摽刂破鞅O(jiān)控和管理多個電芯接口單元。如果需要，可以將多個堆棧控制器連接在一起，以支持具有許多并行堆棧的大型電池組。
電源接口將堆棧控制器連接到高電壓/電流線，同時也是連接到逆變器/充電器的接口。它將電池堆棧的高電壓和高電流組件與其他模塊實現(xiàn)物理和電氣隔離。它還直接從電池堆棧為BMS供電，使 BMS 無需任何外部電源即可運(yùn)行。
Nuvation BMS 的模塊化分層架構(gòu)支持高達(dá) 1250Vdc 的電池組電壓，使用電芯 接口模塊，每個模塊都包含多達(dá) 16 節(jié)電芯、具有多達(dá) 48 個電芯接口模塊的電池 堆棧，以及包含多個并行堆棧的電池組。從用戶的角度來看，整個陣列組件作為 單個單元管理。
自下而上構(gòu)建可靠的設(shè)計
模塊化架構(gòu)、分層拓?fù)浜湾e誤感知設(shè)計等因素對于 Nuvation BMS 的完整性 和可擴(kuò)展性是不可或缺的，但這些還不夠。成功的實施需要高性能功能模塊作為 物理基礎(chǔ)。
這就是 LTC6804 多電芯電池監(jiān)控器 IC（圖 4）在 Nuvation BMS 實施中起關(guān)鍵 作用的原因。它專為滿足 BMS 系統(tǒng)和多電芯設(shè)計需求而定制，可對多達(dá) 12 個串 聯(lián)堆疊的電池電芯進(jìn)行精確測量。其測量輸入不以接地作為參考，這大大地簡化 了這些單元的測量，而 LTC6804 本身可進(jìn)行堆疊與高電壓陣列一起使用（它還支 持各種電芯化學(xué)特性）。它提供最大 0.033%誤差和 16 位分辨率，只需要 290μs 即可測量電池堆棧中的所有 12 個電芯。這種同步電壓和電流測量對于產(chǎn)生有意 義的功率參數(shù)分析至關(guān)重要。
圖 4.LTC6804 多電芯電池監(jiān)控器 IC 可對堆疊的電池電芯進(jìn)行精準(zhǔn)測量，這是成功實施 BMS 的起點(diǎn)
當(dāng)然， 良好的工作臺原型機(jī)制作環(huán)境與在電氣和環(huán)境條件不利的真實 BMS 設(shè)置相比，兩者的實際可實現(xiàn)性能是不一樣的。LTC6804 的模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換器(ADC) 架構(gòu)旨在使用專門針對功率逆變器噪聲而設(shè)計的濾波器抑制并盡量減少這些不 利影響。
數(shù)據(jù)接口使用單條雙絞線、隔離 SPI 接口，支持高達(dá) 1Mb 的速率和長達(dá) 100 米的距離。為了進(jìn)一步增強(qiáng)系統(tǒng)完整性，該 IC 還進(jìn)行了一系列子系統(tǒng)測試。 LTC6804 滿足嚴(yán)格的 AEC-Q100 汽車質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)，進(jìn)一步證明了其可靠性和堅固性。 這款 IC 能取得這樣的成效，是因為其設(shè)計密切關(guān)注 BMS 問題和環(huán)境，包括應(yīng)用 的獨(dú)特系統(tǒng)級目標(biāo)及其諸多挑戰(zhàn)。
解決的三大問題
LTC6804 主要解決了影響系統(tǒng)性能、轉(zhuǎn)換精度、電池均衡以及連接性/數(shù)據(jù)完 整性考慮因素的三個方面：
轉(zhuǎn)換精度
BMS 應(yīng)用具備短期和長期精度需求，因此使用了掩埋式齊納轉(zhuǎn)換基準(zhǔn)電壓源 而非帶隙基準(zhǔn)電壓源。這能夠提供穩(wěn)定的低漂移 (20ppm/√ kHr) 、低溫度系數(shù) (3ppm/°C) 、低滯回(20ppm)原邊電壓基準(zhǔn)源以及出色的長期穩(wěn)定性。這種精度和 穩(wěn)定性至關(guān)重要，它是所有后續(xù)電池電芯測量的基礎(chǔ)，這些錯誤對所獲數(shù)據(jù)的可 信度、算法一致性和系統(tǒng)性能會產(chǎn)生累積影響。
雖然高精度基準(zhǔn)電壓源是確保卓越性能的必要功能，但光憑該功能還不夠。 模數(shù)轉(zhuǎn)換器架構(gòu)及其操作必須符合電噪聲環(huán)境要求，這是系統(tǒng)大電流/電壓逆變 器的脈寬調(diào)制(PWM)瞬態(tài)特性的結(jié)果。準(zhǔn)確評估電池的荷電狀態(tài)(SOC)和健康狀 態(tài)還需要相關(guān)的電壓、電流和溫度測量。
為了在影響 BMS 性能之前減輕系統(tǒng)噪聲，LTC6804 轉(zhuǎn)換器使用了一個Σ-Δ拓 撲結(jié)構(gòu)，并在六個由用戶選擇的濾波器選項輔助下處理噪聲環(huán)境。通過每次轉(zhuǎn)換使用多次采樣的本質(zhì)特性，以及采用均值濾波功能，∑-Δ方法降低了電磁干擾(EMI) 和其他瞬態(tài)噪聲的影響。
電池均衡
在任何使用排列為電池組或模塊組的大型電池包的系統(tǒng)中，都不可避免地需要實現(xiàn)電池均衡。雖然大多數(shù)鋰電池電芯在首次獲取時匹配良好，但會隨著老化 損失容量。不同電池電芯的老化過程出于多種因素可能各有不同，如電池組溫度 梯度。而且，超過 SOC 上限工作的電池電芯將過早老化，并損失額外容量。這 些容量差異以及自放電和負(fù)載電流的小差異都會導(dǎo)致電池不平衡。
為了解決電池不平衡問題，LTC6804 直接支持被動式均衡（使用用戶可設(shè)置 的計時器）。被動式均衡是在電池充電周期內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)化所有電芯的 SOC 的簡單、 低成本方法。通過從較低容量的電芯中移除電荷，被動式均衡可確保這些較低容 量的電芯不會過度充電。LTC6804 也可用于控制主動均衡，這是一種更復(fù)雜的均 衡技術(shù)，通過充電或放電循環(huán)在電芯之間傳輸電荷。
無論是使用主動方法還是被動方法，電池均衡都依賴于高測量精度。隨著測 量誤差越來越大，系統(tǒng)所建立的操作保護(hù)等級也必須增加，因此均衡性能的有效 性將受到限制。此外，由于 SOC 范圍進(jìn)一步受到限制，對這些誤差的靈敏度也 增加了。LTC6804 的總測量誤差小于 1.2mV ，完全符合系統(tǒng)級要求。
連接性/數(shù)據(jù)完整性考慮因素
電池組設(shè)計的模塊化增加了可擴(kuò)展性、服務(wù)能力和外形尺寸的靈活性。然而， 這種模塊化要求為電池組間的數(shù)據(jù)總線提供電氣隔離（無電阻路徑），因此任何一個電池組出現(xiàn)故障都不會影響系統(tǒng)的其他部分或?qū)偩�施加高電壓。此外，電 池組之間的布線必須能夠承受高水平的電磁干擾。
隔離式雙絞線的數(shù)據(jù)總線是一種能夠以緊湊且經(jīng)濟(jì)高效的方式實現(xiàn)這些目 標(biāo)的可行解決方案。因此，LTC6804 提供一種稱為 iso-SPI 的隔離式 SPI 互聯(lián)，可 將時鐘、數(shù)據(jù)輸入、數(shù)據(jù)輸出和芯片選擇信號編碼為差分脈沖，然后通過堅固耐 用、成熟可靠的隔離元件變壓器進(jìn)行耦合（圖5）。
圖 5.LTC6804 支持隔離式 SPI 接口，可通過菊花鏈方式連接構(gòu)成更大的陣列，從而實現(xiàn)可靠 的抗電磁干擾互聯(lián)，盡量降低布線要求，減少隔離器數(shù)量
總線上的器件可采用菊花鏈配置進(jìn)行連接，這大大縮小了線束的尺寸，可實 現(xiàn)大型高電壓電池組模塊化設(shè)計，同時保持高數(shù)據(jù)速率和低 EMI 敏感度（圖 6）。
圖 6.LTC6804 和 isoSPI 接口上的測試結(jié)果顯示，輸入射頻為 200mA ，isoSPI 在 20mA 信號強(qiáng)度下運(yùn)行時沒有出現(xiàn)數(shù)據(jù)錯誤
為了驗證抗擾度，還對 LTC6804 進(jìn)行了 BCI 測試。包括將 100mA 的射頻能量 耦合到電池線束中，射頻載波掃頻范圍為 1MHz 至 400MHz ，并對載波進(jìn)行 1kHz 調(diào)幅調(diào)制。LTC6804 數(shù)字濾波器的截止頻率設(shè)定為 1.7kHz ，并添加了外部 RC 濾波器和鐵氧體扼流圈。結(jié)果：在整個射頻掃頻范圍內(nèi)，電壓讀數(shù)誤差低于 2mV。
此外，還提供了一系列自我評估和自測功能，以增加 LTC6804 對 BMS 應(yīng)用 的適用性。這些檢測包括開路檢測；ADC 時鐘的第二個內(nèi)部基準(zhǔn)源；多路復(fù)用器 自測，甚至還有其內(nèi)部電源電壓的測量。該器件專為符合 ISO 26262 和 IEC 61508 標(biāo)準(zhǔn)的系統(tǒng)而設(shè)計。
結(jié)論
用于電網(wǎng)級系統(tǒng)的備用電源和便攜電源極具吸引力。它看起來很簡單：只要 讓一組電池保持充電（無論是從交流電網(wǎng)側(cè)線路，還是太陽能、風(fēng)能或其他可再 生能源），然后在需要時將電池與 DC/AC 逆變器配合使用，就可以提供與線路供 電等效的交流電源。
事實上，電池的任何行為或性能特征都不簡單，需要小心控制充電和放電， 監(jiān)控電壓、電流和溫度。隨著功率電平的提高，實用、高效且安全的系統(tǒng)并非一 個小設(shè)計，因此并網(wǎng)多電芯 BMS 是一個復(fù)雜的系統(tǒng)。許多獨(dú)特的問題需要深入 了解并加以解決，安全也是一個主要的問題。
成功可行的系統(tǒng)設(shè)計需要模塊化、結(jié)構(gòu)化、自上而下的架構(gòu)，由 LTC6804 等 優(yōu)化組件自下而上提供支持。與先進(jìn)、安全的數(shù)據(jù)采集和控制軟件相結(jié)合，所構(gòu) 建的高性能 BMS 安全可靠，只需要很少的操作人員干預(yù)，并且能夠自動可靠地 穩(wěn)定運(yùn)行多年。 |
