如何在儲能電池管理系統中提高電池監控精度和數據完整性？

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(zhuān)用測量IC可滿(mǎn)足獨特而復雜的要求，確保實(shí)現可靠的系統性能。使用大規模電池陣列作為備用和便攜儲能裝置正受到越來(lái)越多的關(guān)注，在這些系統中，電池不斷通過(guò)供電電網(wǎng)或其他電源充電，然后在用戶(hù)需要時(shí)通過(guò)DC/AC逆變器將交流電源輸送給用戶(hù)。

使用電池作為備用電源并不新鮮，許多系統都提供從基本的120/240Vac和數百瓦（用于臺式電腦短期備用），到數千瓦備用電源（用于船舶、混合動(dòng)力車(chē)或純電動(dòng)汽車(chē)等特種車(chē)輛），用于電網(wǎng)規模電信和數據中心的備用電源則高達數百千瓦（見(jiàn)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(BMS)部分也同樣重要。

圖1.基于電池的備用電源非常適合數千瓦至數百千瓦的固定和移動(dòng)應用，并且可以在各種應用中提供可靠有效的電源

在實(shí)施儲能電池管理系統時(shí)存在許多挑戰，其解決方案不能簡(jiǎn)單地從小規模、低容量的電池組進(jìn)行擴展，而是需要新的、更復雜的戰略和關(guān)鍵支持組件。

第一個(gè)挑戰是許多重要電池電芯參數的測量需要高精度和可信度。此外，其子系統必須采用模塊化設計，允許根據應用的具體需求定制配置，并考慮可能進(jìn)行的擴展、整體管理問(wèn)題和必要的維護。

大型存儲陣列的工作環(huán)境也帶來(lái)了其他重大挑戰。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、一致的數據。此外，它還必須提供關(guān)于內部模塊的大量精確數據和系統溫度測量，這對于充電、監控和放電至關(guān)重要，而不僅僅是提供一些粗略的匯總值。

由于這些電力系統承擔著(zhù)基本工作任務(wù)，因此其運行可靠性至關(guān)重要。為了實(shí)現這些目標，BMS必須確保數據的準確性和完整性，同時(shí)不斷進(jìn)行狀態(tài)評估，以便能夠持續采取必要的措施。實(shí)現可靠的設計和安全性是一個(gè)多級過(guò)程，BMS必須預測問(wèn)題，執行自測，并對所有子系統進(jìn)行故障檢測，然后在待機和操作模式下執行適當的操作。最后，由于高電壓、高電流和高功率電平，BMS必須滿(mǎn)足許多嚴格的監管標準。

通過(guò)系統設計將概念轉化為實(shí)際方案

盡管監控可充電電池的概念很簡(jiǎn)單（只需在電池兩端設置電壓和電流測量電路），但BMS的實(shí)際情況完全不同，而且要復雜得多。

可靠的設計首先要全面監控單個(gè)電池電芯，這就對模擬功能有很高的要求。電芯讀數需要精確到毫伏和毫安，電壓和電流測量必須時(shí)間同步以計算功率。BMS還必須評估每個(gè)測量值的有效性，需要較大限度地提高數據完整性，同時(shí)必須識別錯誤或可疑讀數。它不能忽略可能表明潛在問(wèn)題的異常讀數，但同時(shí)也不能基于錯誤的數據采取行動(dòng)。

模塊化BMS架構可提高穩健性、可擴展性和可靠性。模塊化還有助于根據需要在數據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協(xié)議的先進(jìn)數據編碼格式可確保數據完整性，以便系統管理功能確信其接收的數據就是發(fā)送的數據。

例如，Nuvation Engineering公司（加利福尼亞州滑鐵盧、安大略和森尼韋爾）開(kāi)發(fā)的可擴展、可自定義電池管理系統就采用了上述原則。實(shí)踐證明，Nuvation BMS中的電網(wǎng)儲能系統和備用電源設備設計非常成功，其中可靠性和堅固性至關(guān)重要。這個(gè)現成BMS的核心優(yōu)勢在于其包含三個(gè)子系統的分層分級拓撲（圖2），每個(gè)子系統都具有獨特的功能，如圖3所示。

圖2.Nuvation Engineering電池管理系統是交流電網(wǎng)和電池電芯陣列之間的接口；它提供先進(jìn)的電池充電/放電監控以及DC/AC逆變器功能

圖3.Nuvation BMS的三個(gè)主要子系統（電池電芯接口、電池堆?？刂破?、電源接口）采用模塊化分層設計，可在各種功率電平下實(shí)現可擴展性、穩健性和可靠性

1.電芯接口嚴格管理和監控電池堆棧中的每個(gè)電池電芯；系統根據需要使用盡可能多的電芯接口，具體取決于電池堆棧的數量。這些接口可根據電芯數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?？刂破?，該控制器監控和管理多個(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(xiàn)，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)現物理和電氣隔離。它還直接從電池堆棧為BMS供電，使BMS無(wú)需任何外部電源即可運行。

Nuvation BMS的模塊化分層架構支持高達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16節電芯、具有多達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(hù)的角度來(lái)看，整個(gè)陣列組件作為單個(gè)單元管理。

自下而上構建可靠的設計

模塊化架構、分層拓撲和錯誤感知設計等因素對于Nuvation BMS的完整性和可擴展性是不可或缺的，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。

這就是 LTC6804 多電芯電池監控器IC（圖4）在Nuvation BMS實(shí)施中起關(guān)鍵作用的原因。它專(zhuān)為滿(mǎn)足BMS系統和多電芯設計需求而定制，可對多達12個(gè)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(jiǎn)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(gè)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分析至關(guān)重要。

圖4.LTC6804多電芯電池監控器IC可對堆疊的電池電芯進(jìn)行精準測量，這是成功實(shí)施BMS的起點(diǎn)

當然，良好的工作臺原型機制作環(huán)境與在電氣和環(huán)境條件不利的真實(shí)BMS設置相比，兩者的實(shí)際可實(shí)現性能是不一樣的。 LTC6804 的模擬/數字轉換器(ADC)架構旨在使用專(zhuān)門(mén)針對功率逆變器噪聲而設計的濾波器抑制并盡量減少這些不利影響。

數據接口使用單條雙絞線(xiàn)、隔離SPI接口，支持高達1Mb的速率和長(cháng)達100米的距離。為了進(jìn)一步增強系統完整性，該IC還進(jìn)行了一系列子系統測試。 LTC6804 滿(mǎn)足嚴格的AEC-Q100汽車(chē)質(zhì)量標準，進(jìn)一步證明了其可靠性和堅固性。這款I(lǐng)C能取得這樣的成效，是因為其設計密切關(guān)注BMS問(wèn)題和環(huán)境，包括應用的獨特系統級目標及其諸多挑戰。

LTC6804解決的三大問(wèn)題

LTC6804主要解決了影響系統性能、轉換精度、電池均衡以及連接性/數據完整性考慮因素的三個(gè)方面：

□ 轉換精度

BMS應用具備短期和長(cháng)期精度需求，因此使用了掩埋式齊納轉換基準電壓源而非帶隙基準電壓源。這能夠提供穩定的低漂移 (20ppm/√kHr)、低溫度系數(3ppm/°C)、低滯回(20ppm)原邊電壓基準源以及出色的長(cháng)期穩定性。這種精度和穩定性至關(guān)重要，它是所有后續電池電芯測量的基礎，這些錯誤對所獲數據的可信度、算法一致性和系統性能會(huì )產(chǎn)生累積影響。

雖然高精度基準電壓源是確保卓越性能的必要功能，但光憑該功能還不夠。模數轉換器架構及其操作必須符合電噪聲環(huán)境要求，這是系統大電流/電壓逆變器的脈寬調制(PWM)瞬態(tài)特性的結果。準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B(tài)MS性能之前減輕系統噪聲，LTC6804轉換器使用了一個(gè)Σ-Δ拓撲結構，并在六個(gè)由用戶(hù)選擇的濾波器選項輔助下處理噪聲環(huán)境。通過(guò)每次轉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中，都不可避免地需要實(shí)現電池均衡。雖然大多數鋰電池電芯在首次獲取時(shí)匹配良好，但會(huì )隨著(zhù)老化損失容量。不同電池電芯的老化過(guò)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(guò)SOC上限工作的電池電芯將過(guò)早老化，并損失額外容量。這些容量差異以及自放電和負載電流的小差異都會(huì )導致電池不平衡。

為了解決電池不平衡問(wèn)題，LTC6804直接支持被動(dòng)式均衡（使用用戶(hù)可設置的計時(shí)器）。被動(dòng)式均衡是在電池充電周期內標準化所有電芯的SOC的簡(jiǎn)單、低成本方法。通過(guò)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(guò)度充電。LTC6804也可用于控制主動(dòng)均衡，這是一種更復雜的均衡技術(shù)，通過(guò)充電或放電循環(huán)在電芯之間傳輸電荷。

無(wú)論是使用主動(dòng)方法還是被動(dòng)方法，電池均衡都依賴(lài)于高測量精度。隨著(zhù)測量誤差越來(lái)越大，系統所建立的操作保護等級也必須增加，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，完全符合系統級要求。

□ 連接性/數據完整性考慮因素

電池組設計的模塊化增加了可擴展性、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據總線(xiàn)提供電氣隔離（無(wú)電阻路徑），因此任何一個(gè)電池組出現故障都不會(huì )影響系統的其他部分或對總線(xiàn)施加高電壓。此外，電池組之間的布線(xiàn)必須能夠承受高水平的電磁干擾。

隔離式雙絞線(xiàn)的數據總線(xiàn)是一種能夠以緊湊且經(jīng)濟高效的方式實(shí)現這些目標的可行解決方案。因此，LTC6804 提供一種稱(chēng)為iso-SPI的隔離式SPI互聯(lián)，可將時(shí)鐘、數據輸入、數據輸出和芯片選擇信號編碼為差分脈沖，然后通過(guò)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(guò)菊花鏈方式連接構成更大的陣列，從而實(shí)現可靠的抗電磁干擾互聯(lián)，盡量降低布線(xiàn)要求，減少隔離器數量

總線(xiàn)上的器件可采用菊花鏈配置進(jìn)行連接，這大大縮小了線(xiàn)束的尺寸，可實(shí)現大型高電壓電池組模塊化設計，同時(shí)保持高數據速率和低EMI敏感度（圖6）。

圖6.LTC6804和isoSPI接口上的測試結果顯示，輸入射頻為200mA，isoSPI在20mA信號強度下運行時(shí)沒(méi)有出現數據錯誤

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(xiàn)束中，射頻載波掃頻范圍為1MHz至400MHz，并對載波進(jìn)行1kHz調幅調制。LTC6804數字濾波器的截止頻率設定為1.7kHz，并添加了外部RC濾波器和鐵氧體扼流圈。結果：在整個(gè)射頻掃頻范圍內，電壓讀數誤差低于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應用的適用性。這些檢測包括開(kāi)路檢測；ADC時(shí)鐘的第二個(gè)內部基準源；多路復用器自測，甚至還有其內部電源電壓的測量。該器件專(zhuān)為符合ISO 26262和IEC 61508標準的系統而設計。

結論

用于電網(wǎng)級系統的備用電源和便攜電源極具吸引力。它看起來(lái)很簡(jiǎn)單：只要讓一組電池保持充電（無(wú)論是從交流電網(wǎng)側線(xiàn)路，還是太陽(yáng)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(xiàn)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，監控電壓、電流和溫度。隨著(zhù)功率電平的提高，實(shí)用、高效且安全的系統并非一個(gè)小設計，因此并網(wǎng)多電芯BMS是一個(gè)復雜的系統。許多獨特的問(wèn)題需要深入了解并加以解決，安全也是一個(gè)主要的問(wèn)題。

成功可行的系統設計需要模塊化、結構化、自上而下的架構，由LTC6804等優(yōu)化組件自下而上提供支持。與先進(jìn)、安全的數據采集和控制軟件相結合，所構建的高性能BMS安全可靠，只需要很少的操作人員干預，并且能夠自動(dòng)可靠地穩定運行多年。