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

2)電池容量平衡：大型電池包一般由多組電池或電池模塊組成，在任何使用這類(lèi)電池包的系統中，電池容量平衡都是不可避免的要求。盡管大多數鋰電池在首次到達用戶(hù)手中時(shí)已經(jīng)進(jìn)行了良好的容量匹配，但是隨著(zhù)老化，鋰電池會(huì )損失容量。由于導致老化過(guò)程不同的因素有多種 (例如電池組的溫度變化率不同)，各節電池的老化過(guò)程可能各不相同。使整個(gè)老化過(guò)程加劇的是，如果允許電池工作范圍超出其 SOC 限制，那么這節電池就會(huì )提前老化，并會(huì )額外損失容量。這些容量方面的差異，加之自放電和負載電流方面的小差異，會(huì )導致電池容量失衡。

為了解決電池容量失衡問(wèn)題，LTC6804 直接地支持被動(dòng)平衡 (用一個(gè)用戶(hù)可設置的定時(shí)器)。被動(dòng)平衡是一種簡(jiǎn)便的低成本方法，可在電池充電周期歸一化所有電池的 SOC。通過(guò)從容量較低的電池中移走電荷，被動(dòng)平衡確保這些容量較低的電池不會(huì )過(guò)度充電。LTC6804 還可用來(lái)控制主動(dòng)平衡，這是一種更加復雜的平衡方法，在充電或放電周期中在電池之間傳送電荷。

無(wú)論采用主動(dòng)平衡還是被動(dòng)平衡，電池容量平衡效果都取決于測量準確度是否足夠高。隨著(zhù)測量誤差增大，系統建立的工作保護帶也必須隨之增大，因此，容量平衡性能的實(shí)效就會(huì )受到限制。此外，隨著(zhù) SOC 范圍受到進(jìn)一步限制，對這些誤差的靈敏度也會(huì )提高。LTC6804 的總體測量誤差低于 1.2mV，完全處于系統級要求范圍之內。

3)連通性 / 數據完整性考慮：電池組設計中的模塊化增強了可擴展性、可維修性和外形的靈活性。然而，這種模塊化要求電池組之間的數據總線(xiàn)具有電流隔離 (無(wú)電阻通路)，這樣，任何一個(gè)電池組中的故障就不會(huì )影響系統的其余部分或在總線(xiàn)上施加高電壓。此外，電池組之間的配線(xiàn)必須要能耐受很高的 EMI。

兩線(xiàn)式隔離數據總線(xiàn)是一種能以緊湊和具成本效益的方式實(shí)現上述目標的可行解決方案。因此，LTC6804 提供了被稱(chēng)為 isoSPI 的隔離式 SPI 互連，其負責把用于時(shí)鐘、數據輸入、數據輸出和芯片選擇的信號編碼為差分脈沖，然后通過(guò)一個(gè)變壓器把這些差分脈沖耦合至一個(gè)堅固、可靠和確定已久的隔離組件 (參見(jiàn)圖 5)。

圖 5：LTC6804 支持隔離式 SPI 接口，該接口可以“菊花鏈”方式連接，以組成較大的陣列，從而實(shí)現堅固、抗 EMI 的互連，同時(shí)還能夠最大限度減少布線(xiàn)需求和隔離器數量。

該總線(xiàn)上的器件可以通過(guò) “菊花鏈” 方式連接，這種連接方式可極大地減小線(xiàn)束尺寸，并實(shí)現大型、高壓電池包的模塊化設計，同時(shí)保持很高的數據傳輸速率和很低的 EMI 敏感性 (參見(jiàn)圖 6)。

圖 6：對 LTC6804 和 isoSPI 接口的測試結果表明，在 isoSPI 以 20mA 信號強度工作時(shí)，盡管注入了 200mA RF，但是仍然沒(méi)產(chǎn)生數據誤差。

為了展示抗噪聲性能，凌力爾特對 LTC6804 進(jìn)行了 BCI 測試。測試時(shí)使用 1MHz 至 400MHz RF 載波，且在載波上有 1kHz AM 調制，通過(guò)該載波將 100mA RF 能量耦合到連接電池的線(xiàn)束中。LTC6804 數字濾波器的截止頻率設定為 1.7kHz，另外還增加了外部 RC 濾波器和鐵氧扼流圈。測試結果為，在整個(gè) RF 頻率范圍內，電壓讀數誤差低于 2mV。

LTC6804 提供一系列自評估和自測試功能，這使該器件更加適合 BMS 應用了。這些評估和測試功能包括斷線(xiàn)檢測、第二個(gè)內部 ADC 時(shí)鐘基準、多工器自測試甚至內部電源電壓測量。該器件為準備與 ISO 26262 和 IEC 61508 標準兼容的系統而設計。

結論

面向電網(wǎng)供電系統的備份和連續供電電源有很大的 “魅力”。這類(lèi)電源似乎非常簡(jiǎn)單明了：給一個(gè)電池陣列充電 (無(wú)論是用電網(wǎng)的 AC 電力線(xiàn)還是太陽(yáng)能、風(fēng)能或其他可再生能源)，然后在需要時(shí)，用這些電池和 DC/AC 逆變器提供相當于電力線(xiàn)供電的 AC 電源。

現實(shí)情況是，這些電池的任何工作方式或性能特點(diǎn)都不“簡(jiǎn)單”，需要仔細控制對它們的充電，仔細控制對其電壓、電流和溫度的監視，以及仔細控制其放電。隨著(zhù)功率的提高，實(shí)用、高效和安全的系統設計絕不是微不足道的，因此連接電網(wǎng)的多節電池 BMS 也是非常復雜的系統。需要理解和解決很多獨特問(wèn)題，其中系統安全是主要問(wèn)題。

成功和可行的系統設計需要一種由優(yōu)化組件 (例如：LTC6804) 自下而上地提供支持模塊化、結構化、自頂向下的架構。當與精細、安全的數據采集和控制軟件相組合時(shí)，可造就高性能的可靠 BMS，此類(lèi) BMS 幾乎不需要操作人員的干預，并將以自主的方式運行，從而提供為期多年的可靠服務(wù)。