【導(dǎo)讀】使用大規(guī)模電池陣列作為備用和便攜儲(chǔ)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(duì)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(shí)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(tái)式電腦短期備用），到數(shù)千瓦備用電源（用于船舶、混合動(dòng)力車或純電動(dòng)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(shí)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(dòng)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(shí)施儲(chǔ)能電池管理系統(tǒng)時(shí)存在許多挑戰(zhàn)，其解決方案不能簡(jiǎn)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(gè)挑戰(zhàn)是許多重要電池電芯參數(shù)的測(cè)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(jì)，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(chǔ)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(cè)量，這對(duì)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(shí)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(shí)不斷進(jìn)行狀態(tài)評(píng)估，以便能夠持續(xù)采取必要的措施。實(shí)現(xiàn)可靠的設(shè)計(jì)和安全性是一個(gè)多級(jí)過程，BMS必須預(yù)測(cè)問題，執(zhí)行自測(cè)，并對(duì)所有子系統(tǒng)進(jìn)行故障檢測(cè)，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(jì)將概念轉(zhuǎn)化為實(shí)際方案
盡管監(jiān)控可充電電池的概念很簡(jiǎn)單（只需在電池兩端設(shè)置電壓和電流測(cè)量電路），但BMS的實(shí)際情況完全不同，而且要復(fù)雜得多。
可靠的設(shè)計(jì)首先要全面監(jiān)控單個(gè)電池電芯，這就對(duì)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(cè)量必須時(shí)間同步以計(jì)算功率。BMS還必須評(píng)估每個(gè)測(cè)量值的有效性，需要較大限度地提高數(shù)據(jù)完整性，同時(shí)必須識(shí)別錯(cuò)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(shí)也不能基于錯(cuò)誤的數(shù)據(jù)采取行動(dòng)。
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(yàn)）誤差檢測(cè)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(shí)踐證明，Nuvation BMS中的電網(wǎng)儲(chǔ)能系統(tǒng)和備用電源設(shè)備設(shè)計(jì)非常成功，其中可靠性和堅(jiān)固性至關(guān)重要。這個(gè)現(xiàn)成BMS的核心優(yōu)勢(shì)在于其包含三個(gè)子系統(tǒng)的分層分級(jí)拓?fù)洌▓D2），每個(gè)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(gè)主要子系統(tǒng)（電池電芯接口、電池堆?？刂破?、電源接口）采用模塊化分層設(shè)計(jì)，可在各種功率電平下實(shí)現(xiàn)可擴(kuò)展性、穩(wěn)健性和可靠性
1. 電芯接口嚴(yán)格管理和監(jiān)控電池堆棧中的每個(gè)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。
2. 電芯接口連接到單個(gè)堆棧控制器，該控制器監(jiān)控和管理多個(gè)電芯接口單元。如果需要，可以將多個(gè)堆?？刂破鬟B接在一起，以支持具有許多并行堆棧的大型電池組。
3. 電源接口將堆?？刂破鬟B接到高電壓/電流線，同時(shí)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(shí)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(gè)模塊都包含多達(dá)16節(jié)電芯、具有多達(dá)48個(gè)電芯接口模塊的電池堆棧，以及包含多個(gè)并行堆棧的電池組。從用戶的角度來看，整個(gè)陣列組件作為單個(gè)單元管理。
自下而上構(gòu)建可靠的設(shè)計(jì)
模塊化架構(gòu)、分層拓?fù)浜湾e(cuò)誤感知設(shè)計(jì)等因素對(duì)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(shí)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(shí)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(jì)需求而定制，可對(duì)多達(dá)12個(gè)串聯(lián)堆疊的電池電芯進(jìn)行精確測(cè)量。其測(cè)量輸入不以接地作為參考，這大大地簡(jiǎn)化了這些單元的測(cè)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(cè)量電池堆棧中的所有12個(gè)電芯。這種同步電壓和電流測(cè)量對(duì)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(duì)堆疊的電池電芯進(jìn)行精準(zhǔn)測(cè)量，這是成功實(shí)施BMS的起點(diǎn)
當(dāng)然，良好的工作臺(tái)原型機(jī)制作環(huán)境與在電氣和環(huán)境條件不利的真實(shí)BMS設(shè)置相比，兩者的實(shí)際可實(shí)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(duì)功率逆變器噪聲而設(shè)計(jì)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(zhǎng)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(cè)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(jiān)固性。這款I(lǐng)C能取得這樣的成效，是因?yàn)槠湓O(shè)計(jì)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(jí)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(gè)方面：
轉(zhuǎn)換精度
BMS應(yīng)用具備短期和長(zhǎng)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(zhǎng)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(cè)量的基礎(chǔ)，這些錯(cuò)誤對(duì)所獲數(shù)據(jù)的可信度、算法一致性和系統(tǒng)性能會(huì)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(píng)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(cè)量。
為了在影響B(tài)MS性能之前減輕系統(tǒng)噪聲，LTC6804轉(zhuǎn)換器使用了一個(gè)Σ-Δ拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，并在六個(gè)由用戶選擇的濾波器選項(xiàng)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(shí)現(xiàn)電池均衡。雖然大多數(shù)鋰電池電芯在首次獲取時(shí)匹配良好，但會(huì)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(huì)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(dòng)式均衡（使用用戶可設(shè)置的計(jì)時(shí)器）。被動(dòng)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(jiǎn)單、低成本方法。通過從較低容量的電芯中移除電荷，被動(dòng)式均衡可確保這些較低容量的電芯不會(huì)過度充電。LTC6804也可用于控制主動(dòng)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(dòng)方法還是被動(dòng)方法，電池均衡都依賴于高測(cè)量精度。隨著測(cè)量誤差越來越大，系統(tǒng)所建立的操作保護(hù)等級(jí)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(duì)這些誤差的靈敏度也增加了。LTC6804的總測(cè)量誤差小于1.2mV，完全符合系統(tǒng)級(jí)要求。
連接性/數(shù)據(jù)完整性考慮因素
電池組設(shè)計(jì)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(gè)電池組出現(xiàn)故障都不會(huì)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(shí)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(shí)鐘、數(shù)據(jù)輸入、數(shù)據(jù)輸出和芯片選擇信號(hào)編碼為差分脈沖，然后通過堅(jiān)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(shí)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(shí)現(xiàn)大型高電壓電池組模塊化設(shè)計(jì)，同時(shí)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(cè)試結(jié)果顯示，輸入射頻為200mA，isoSPI在20mA信號(hào)強(qiáng)度下運(yùn)行時(shí)沒有出現(xiàn)數(shù)據(jù)錯(cuò)誤
為了驗(yàn)證抗擾度，還對(duì)LTC6804進(jìn)行了BCI測(cè)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(duì)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(gè)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(píng)估和自測(cè)功能，以增加LTC6804對(duì)BMS應(yīng)用的適用性。這些檢測(cè)包括開路檢測(cè)；ADC時(shí)鐘的第二個(gè)內(nèi)部基準(zhǔn)源；多路復(fù)用器自測(cè)，甚至還有其內(nèi)部電源電壓的測(cè)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(jì)。
結(jié)論
用于電網(wǎng)級(jí)系統(tǒng)的備用電源和便攜電源極具吸引力。它看起來很簡(jiǎn)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(shí)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(shí)上，電池的任何行為或性能特征都不簡(jiǎn)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(shí)用、高效且安全的系統(tǒng)并非一個(gè)小設(shè)計(jì)，因此并網(wǎng)多電芯BMS是一個(gè)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(gè)主要的問題。
成功可行的系統(tǒng)設(shè)計(jì)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(dòng)可靠地穩(wěn)定運(yùn)行多年。
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