最大限度提高能量存儲電池管理系統中 電池電量監視的準確度和數據完整性

圖 3：Nuvation BMS 的 3 大子系統：電池接口、電池組控制器、電源接口。該 BMS 由模塊化、分級設計組成，可對多種功率級系統提供可擴展性、堅固性和可靠性。

圖 3：Nuvation BMS 的 3 大子系統：電池接口、電池組控制器、電源接口。該 BMS 由模塊化、分級設計組成，可對多種功率級系統提供可擴展性、堅固性和可靠性。

1.電池接口對電池組中的每節電池提供嚴格管理和監視;視電池組的數量不同而不同，系統根據需要采用盡可能多的電池接口。隨著(zhù)電池數量增加以及由此而來(lái)的電池組電壓提高，這些接口可以按菊花鏈方式連接以實(shí)現系統擴展。

2.所有電池接口都連接到一個(gè)電池組控制器，該控制器監視和管理多個(gè)電池接口單元。如果需要，多個(gè)電池組控制器可以連接到一起，以支持由很多電池組并聯(lián)組成的大型電池包。

3.電源接口將電池組控制器連接到高壓 / 大電流線(xiàn)路，是到逆變器 / 充電器的接口。電源接口從物理上和電氣上使高壓和大電流組件與其他模塊隔離。該接口還直接從電池組給 BMS 供電，因此 BMS 的運行無(wú)需任何外部電源。

Nuvation BMS 的模塊化和分級架構支持高達 1250Vdc 的電池包電壓，所采用的電池接口模塊每個(gè)支持多達 16 節電池，允許多達 48 個(gè)電池接口模塊疊置，支持包含多個(gè)并聯(lián)電池組的電池包。從用戶(hù)的角度來(lái)看，整個(gè)組裝陣列是作為單一單元管理的。

堅固的設計是自下而上建立的

模塊化架構、分級拓撲和注重減少差錯的設計對 Nuvation BMS 實(shí)現完整性和可擴展性而言是必不可少的，但是這還不夠。成功實(shí)現 Nuvation BMS 還需要以高性能基本功能構件作為物理基礎。

這就是為什么凌力爾特公司的多節電池監視器 IC LTC6804 (參見(jiàn)圖 4) 在 Nuvation BMS 解決方案中發(fā)揮關(guān)鍵作用的原因。LTC6804 專(zhuān)為滿(mǎn)足 BMS 系統及多節電池設計的需求而定制，起點(diǎn)是針對多達 12 節串聯(lián)疊置的電池提供精確的測量值。該器件的測量輸入不是以地為基準的，這極大地簡(jiǎn)化了對電池的測量，而且 LTC6804 本身是可疊置的，以用于較高電壓的陣列 (該器件還支持各種電池化學(xué)組成)。LTC6804 以 16 位分辨率提供 0.033% 的最大誤差，僅需要 290μs 就可測完所有 12 節電池。要產(chǎn)生有意義的電源參數分析結果，這樣的同步電壓和電流測量是至關(guān)重要的。

圖 4：凌力爾特公司的 LTC6804 多節電池監視器 IC 針對疊置電池提供準確的測量值，是成功實(shí)現 BMS 的起點(diǎn)。

當然，在實(shí)驗臺上原型機所處無(wú)害環(huán)境中實(shí)現的性能與 BMS 設置在不利的真實(shí)電氣及自然環(huán)境中可實(shí)現的性能是不同的。LTC6804 的模數轉換器 (ADC) 架構設計采用專(zhuān)門(mén)針對電源逆變器噪聲而設計的濾波器，可抵御這些有害影響，并使影響最小化。

數據接口采用隔離式單條雙絞線(xiàn) SPI 接口，支持高達 1Mb 的傳輸速率和長(cháng)達 100 米的傳輸距離。為了進(jìn)一步提高系統完整性，該 IC 包括一系列持續進(jìn)行的子系統測試功能。作為進(jìn)一步表明其可靠性和堅固性的標志，LTC6804 滿(mǎn)足保證汽車(chē)質(zhì)量的嚴格 AEC-Q100 標準要求。這款 IC 由于專(zhuān)用設計而取得了出色成果，其設計密切關(guān)注 BMS 問(wèn)題和環(huán)境，包括獨特的系統級應用目標以及很多挑戰。

解決了 3 大問(wèn)題

LTC6804 解決了影響系統性能的 3 大問(wèn)題：轉換準確度、電池容量平衡和連通性 / 數據完整性：

1)轉換準確度：考慮到 BMS 應用的短期和長(cháng)期準確度要求，該器件采用了掩埋齊納轉換基準，而不是帶隙基準。這提供了一個(gè)穩定、低漂移 (20ppm/√kHr)、低溫度系數 (3ppm/°C)、低遲滯 (20ppm) 的主電壓基準以及卓越的長(cháng)期穩定性。這種準確度和穩定性至關(guān)重要，因為這是所有后續電池測量的基礎，而且這些誤差對所采集數據的可信度、算法一致性及系統性能都有累積影響。

盡管高準確度基準是確保上佳性能的必要部件，但僅靠這個(gè)是不夠的。A/D 轉換器架構及其運作必須在電噪聲環(huán)境中符合規范的要求，此類(lèi)噪聲環(huán)境是系統的大電流 / 高電壓逆變器的脈寬調制 (PWM) 瞬變的結果。另外，電荷狀態(tài) (SOC) 和電池健康狀況的準確評估還需要相互關(guān)聯(lián)的電壓、電流和溫度測量。

為了減低系統噪聲以避免其影響 BMS 性能，LTC6804 轉換器采用了一種增量-累加 (ΔΣ) 拓撲，輔之以 6 種用戶(hù)可選的濾波器選項以應對噪聲環(huán)境。該 ΔΣ 方法由于其具有每次轉換采用多個(gè)樣本的性質(zhì)和一種取平均的濾波功能，因而減輕了電磁干擾 (EMI) 和其他瞬態(tài)噪聲的影響。