最大限度地提高儲能電池管理系統(tǒng)的電池監(jiān)測準確性和數(shù)據(jù)完整性

作者：Mike Kultgen 和 Greg Zimmer

并網(wǎng)電池陣列是可行的備用和攜帶電源;滿足其獨特和復(fù)雜要求的特定應(yīng)用測量IC可確?？煽康南到y(tǒng)性能。

使用大型電池陣列進行備用和攜帶儲能越來越受到關(guān)注，特斯拉汽車公司最近宣布的用于家庭和辦公室的Powerwall系統(tǒng)就是證明。這些系統(tǒng)中的電池從電力線電網(wǎng)或其他來源持續(xù)充電，然后通過 DC/AC 逆變器將交流線路電力回饋給用戶。

使用電池進行備用電源并不新鮮，許多系統(tǒng)跨越基本的 120/240V交流短期臺式 PC 備份的瓦特為數(shù)百瓦，專用車輛（如船舶、混合動力汽車或全電動汽車）的瓦特功率為數(shù)千瓦，電網(wǎng)規(guī)模的電信和數(shù)據(jù)中心備份的功率高達 1 的數(shù)百千瓦。然而，盡管電池化學(xué)和技術(shù)的進步引起了人們的廣泛關(guān)注，但可行的基于電池的安裝同樣關(guān)鍵的部分是其電池管理系統(tǒng)（BMS）。

在實施儲能電池管理系統(tǒng)時存在許多挑戰(zhàn)，其解決方案不僅僅是從小規(guī)模、低容量的電池組擴大規(guī)模。相反，需要新的和更復(fù)雜的戰(zhàn)略和關(guān)鍵的支助組成部分。

挑戰(zhàn)始于對關(guān)鍵電池單元參數(shù)的許多測量的高精度和置信度的需求。此外，設(shè)計必須在其子系統(tǒng)中采用模塊化設(shè)計，以便能夠根據(jù)應(yīng)用的特定需求定制配置，以及可能的擴展、整體管理問題和必要的維護。

大規(guī)模存儲陣列的操作環(huán)境也帶來了其他重大挑戰(zhàn)。BMS必須在極其嘈雜的電氣和通常很熱的環(huán)境中提供精確，一致的數(shù)據(jù)，盡管有高電壓/電流逆變器和由此產(chǎn)生的電流尖峰。此外，它必須提供有關(guān)內(nèi)部模塊和系統(tǒng)溫度測量的大量細粒度數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)對于充電、監(jiān)控和放電至關(guān)重要，而不僅僅是幾個粗略的聚合值。

由于這些電力系統(tǒng)的基本作用，其運行可靠性本質(zhì)上至關(guān)重要。為了將這一容易陳述的目標變?yōu)楝F(xiàn)實，BMS必須確保數(shù)據(jù)的準確性和完整性，以及持續(xù)的健康評估，以便能夠持續(xù)采取必要的行動。實現(xiàn)穩(wěn)健的設(shè)計和安全性是一個多層次的過程，BMS必須預(yù)測問題，執(zhí)行自檢，并在所有子系統(tǒng)上提供故障檢測，然后在待機和操作模式下實施適當?shù)牟僮?。作為最終要求，由于高電壓、高電流和高功率水平，BMS 必須滿足許多嚴格的監(jiān)管標準。

系統(tǒng)設(shè)計將概念轉(zhuǎn)化為實際結(jié)果

雖然監(jiān)控可充電電池在概念上很簡單——只需將電壓和電流測量電路放在電池端子上——但BMS的現(xiàn)實卻大不相同，而且要復(fù)雜得多。

穩(wěn)健的設(shè)計始于對單個電池單元的全面監(jiān)控，這對模擬功能提出了很高的要求。電池讀數(shù)需要毫伏和毫安精度，電壓和電流測量必須時間同步以計算功率。BMS還必須評估每次測量的有效性，因為它需要最大限度地提高數(shù)據(jù)完整性，同時還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，它不應(yīng)該根據(jù)有錯誤的數(shù)據(jù)采取行動。

模塊化 BMS 架構(gòu)增強了穩(wěn)健性、可擴展性和可靠性。模塊化還有助于在子部分之間的數(shù)據(jù)鏈路中在需要時使用隔離，以最大程度地減少電氣噪聲的影響并提高安全性。此外，包括CRC（循環(huán)冗余校驗）錯誤檢測和鏈路確認協(xié)議在內(nèi)的高級數(shù)據(jù)編碼格式可確保數(shù)據(jù)完整性，因此系統(tǒng)管理功能可以確信其接收的數(shù)據(jù)是發(fā)送的數(shù)據(jù)。

包含這些原則的BMS的一個例子是由Nuvation Engineering（安大略省滑鐵盧和加利福尼亞州桑尼維爾）開發(fā)的可擴展和可定制的電池管理系統(tǒng)。Nuvation BMS設(shè)計在電網(wǎng)儲能系統(tǒng)和備用電源設(shè)備的設(shè)計中獲勝，證明了自己的優(yōu)勢，在這些系統(tǒng)中，可靠性和堅固性至關(guān)重要。這種現(xiàn)成的BMS的主要優(yōu)勢在于其分層拓撲（圖2），具有三個子系統(tǒng)，每個子系統(tǒng)都有獨特的功能，如圖3所示。

圖2.Nuvation工程電池管理系統(tǒng)是交流電網(wǎng)和電池陣列之間的接口;它提供復(fù)雜的電池充電/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)（單元接口、堆棧控制器、電源接口）采用模塊化分層設(shè)計，可在各種功率水平下實現(xiàn)可擴展性、魯棒性和可靠性

電芯接口提供對電池組中每個電芯的嚴格管理和監(jiān)控;系統(tǒng)根據(jù)需要使用任意數(shù)量的單元接口，具體取決于堆棧的數(shù)量。這些接口可以隨著電池數(shù)量的增加而以菊花鏈形式連接，從而增加堆棧電壓。

單元接口連接到單個堆?？刂破鳎摽刂破鞅O(jiān)視和管理多個單元接口單元。如果需要，可以將多個堆棧控制器連接在一起，以支持具有許多并聯(lián)堆棧的大型包裝。

電源接口將堆?？刂破鬟B接到高電壓/電流線路，是逆變器/充電器的接口。它將堆棧的高電壓和高電流組件與其他模塊進行物理和電氣隔離。它還直接從電池組為 BMS 供電，因此無需任何外部電源即可進行 BMS 操作。

Nuvation BMS的模塊化和分層架構(gòu)支持高達1250V的電池組電壓直流，使用電池接口模塊（每個模塊最多包含 16 個電池）、最多包含 48 個電池接口模塊的電池組以及包含多個并聯(lián)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進行管理。

自下而上的可靠設(shè)計構(gòu)建

模塊化架構(gòu)、分層拓撲和錯誤感知設(shè)計等因素對于Nuvation BMS的完整性和可擴展性至關(guān)重要，但還不夠。成功的實施需要高性能功能塊作為物理基礎(chǔ)。

這就是凌力爾特的 LTC6804 多節(jié)電池監(jiān)控器 IC（圖 4）在 Nuvation BMS 實現(xiàn)中發(fā)揮關(guān)鍵作用的原因。它專為滿足BMS系統(tǒng)和多節(jié)電池設(shè)計的需求而量身定制，首先提供多達12個串聯(lián)堆疊的電池單元的精確測量。其測量輸入不是以地為參考的，這大大簡化了這些電池的測量，而且 LTC6804 本身可堆疊以與更高電壓陣列一起使用 （并且它還支持多種電池化學(xué)組成）。它以 16 位分辨率提供最大 0.033% 的誤差，只需 290μs 即可測量堆棧中的所有 12 個電池。這種同步電壓和電流測量對于對功率參數(shù)進行有意義的分析至關(guān)重要。

圖4.凌力爾特的 LTC6804 多節(jié)電池監(jiān)視器 IC 可在堆疊電池單元上提供準確、精確的測量，這是成功實施 BMS 的起點

當然，在工作臺原型的良性環(huán)境中的性能與在電氣和環(huán)境不利的現(xiàn)實世界BMS環(huán)境中的實際可實現(xiàn)性能不同。LTC6804 的模數(shù)轉(zhuǎn)換器 （ADC） 架構(gòu)采用專為電源逆變器噪聲而設(shè)計的濾波器，旨在抵抗和最小化這些不利影響。

數(shù)據(jù)接口使用單個雙絞線隔離 SPI 接口，支持高達 1Mb 的速率和長達 100 米的距離。為了進一步增強系統(tǒng)完整性，該IC包括一系列正在進行的子系統(tǒng)測試。作為其可靠性和耐用性的進一步證明，LTC6804 符合嚴格的 AEC-Q100 汽車質(zhì)量標準。該IC之所以能夠?qū)崿F(xiàn)其成果，是因為其應(yīng)用特定設(shè)計緊密關(guān)注BMS問題和環(huán)境，包括應(yīng)用的獨特系統(tǒng)級目標及其諸多挑戰(zhàn)。

解決的三個主要問題

LTC6804 解決了影響系統(tǒng)性能、轉(zhuǎn)換準確度、電池平衡和連接 / 數(shù)據(jù)完整性考慮因素的三個主要方面：

1. 轉(zhuǎn)換精度

由于BMS應(yīng)用的短期和長期精度要求，它使用埋藏齊納轉(zhuǎn)換基準而不是帶隙基準。這提供了穩(wěn)定的低漂移 （20ppm/√kHr）、低溫度系數(shù) （3ppm/°C）、低遲滯 （20ppm） 初級基準電壓源以及出色的長期穩(wěn)定性。這種準確性和穩(wěn)定性至關(guān)重要，因為它是所有后續(xù)電池單元測量的基礎(chǔ)，這些誤差會對采集數(shù)據(jù)的可信度、算法一致性和系統(tǒng)性能產(chǎn)生累積影響。

盡管高精度基準電壓源是確保卓越性能的必要功能，但僅此還不夠。A/D轉(zhuǎn)換器架構(gòu)及其工作必須符合電氣噪聲環(huán)境中的規(guī)范，這是系統(tǒng)高電流/電壓逆變器的脈寬調(diào)制（PWM）瞬變的結(jié)果。準確評估電池的充電狀態(tài) （SOC） 和健康狀況還需要相關(guān)的電壓、電流和溫度測量。

為了在系統(tǒng)噪聲影響 BMS 性能之前降低系統(tǒng)噪聲，LTC6804 轉(zhuǎn)換器采用一種 Δ-Σ 拓撲結(jié)構(gòu)，并輔以 6 個用戶可選的濾波器選項以應(yīng)對嘈雜環(huán)境。Δ-Σ方法降低了電磁干擾（EMI）和其他瞬態(tài)噪聲的影響，因為它本質(zhì)上是每次轉(zhuǎn)換使用許多樣本，并具有平均濾波功能。

2. 細胞平衡

在任何使用以電池或模塊組排列的大型電池組的系統(tǒng)中，對電池平衡的需求都是不可避免的結(jié)果。盡管大多數(shù)鋰電池在首次獲得時匹配良好，但隨著年齡的增長，它們會失去容量。由于許多因素，老化過程可能因電池而異，例如電池組溫度的梯度。加劇整個過程的是，允許超出其SOC限制運行的單元將過早老化并失去額外的容量。這些容量差異，加上自放電和負載電流的微小差異，導(dǎo)致電池不平衡。

為了解決電池不平衡問題，LTC6804 直接支持被動平衡 （利用一個用戶可設(shè)置的定時器）。被動平衡是一種低成本、簡單的方法，可在電池充電周期內(nèi)對所有電池單元的 SOC 進行歸一化。通過消除低容量電池的電荷，被動平衡可確保這些低容量電池不會過度充電。LTC6804 還可用于控制主動平衡，這是一種更復(fù)雜的平衡技術(shù)，可通過充電或放電周期在電池之間傳輸電荷。

無論是使用主動還是被動方法，電池平衡都依賴于高測量精度。隨著測量誤差的增加，系統(tǒng)建立的工作保護帶也必須增加，因此平衡性能的有效性將受到限制。此外，隨著SOC范圍的進一步限制，對這些誤差的敏感性也會增加。LTC6804 小于 1.2mV 的總測量誤差完全符合系統(tǒng)級要求。

3. 連接/數(shù)據(jù)完整性注意事項

電池組設(shè)計的模塊化增加了可擴展性、服務(wù)能力和外形靈活性。但是，這種模塊化要求電池組之間的數(shù)據(jù)總線具有電流隔離（無歐姆路徑），因此任何一個組的故障都不會影響系統(tǒng)的其余部分或在總線上施加高電壓。此外，電池組之間的接線必須能夠承受高水平的EMI。

雙線隔離數(shù)據(jù)總線是以緊湊且經(jīng)濟高效的方式實現(xiàn)這些目標的可行解決方案。因此，LTC6804 提供了一個稱為 iso-SPI 的隔離式 SPI 互連，它將時鐘、數(shù)據(jù)輸入、數(shù)據(jù)輸出和片選信號編碼為差分脈沖，然后通過變壓器（一種堅固、可靠且長期建立的隔離組件）耦合（圖 5）。

圖5.LTC6804 支持一個隔離式 SPI 接口，該接口可采用菊花鏈連接以實現(xiàn)更大的陣列，從而形成一個穩(wěn)健、抗 EMI 的互連，從而最大限度地減少布線要求和隔離器數(shù)量

總線上的器件可以菊花鏈配置連接，這大大降低了線束尺寸，并支持大型高壓電池組的模塊化設(shè)計，同時保持高數(shù)據(jù)速率和低 EMI 敏感性（圖 6）。

圖6.LTC6804 和 isoSPI 接口上的測試結(jié)果顯示，盡管注入了 200mA 的 RF，而 isoSPI 在 20mA 信號強度下工作，但均未出現(xiàn)數(shù)據(jù)誤差

為了證明抗噪性，凌力爾特對 LTC6804 進行了 BCI 測試。這涉及將100mA的RF能量耦合到電池線束中，RF載波從1MHz掃描到400MHz，載波上具有1kHz AM調(diào)制。LTC6804 數(shù)字濾波器針對一個 1.7kHz 截止頻率進行了編程，并增加了一個外部 RC 濾波器和鐵氧體扼流圈。結(jié)果：在整個RF掃描范圍內(nèi)，電壓讀數(shù)誤差低于2mV。

一系列自我評估和自檢功能增加了 LTC6804 對 BMS 應(yīng)用的適用性。這些檢查包括開路檢測;用于ADC時鐘的第二個內(nèi)部基準;多路復(fù)用器自檢，甚至測量其內(nèi)部電源電壓。該器件專為符合 ISO 26262 和 IEC 61508 標準的系統(tǒng)而設(shè)計。

結(jié)論

電網(wǎng)級系統(tǒng)的備用和直通電源有很多魅力。這看起來很簡單：只需保持電池陣列充電（無論是來自電網(wǎng)交流線路，還是太陽能、風能或其他可再生能源），然后在需要提供線路等效交流電源時將電池與 DC/AC 逆變器一起使用。

現(xiàn)實情況是，電池在任何行為或性能特征上都不簡單，它們需要仔細控制充電，監(jiān)控其電壓、電流和溫度以及放電。隨著功率水平的提高，實用、高效和安全的系統(tǒng)并非易事，因此并網(wǎng)多單元BMS是一個復(fù)雜的系統(tǒng)。需要了解和解決許多獨特的問題，其中安全也是一個主要問題。

成功且可行的系統(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。當與復(fù)雜、安全的數(shù)據(jù)采集和控制軟件相結(jié)合時，結(jié)果是一個高性能、可靠的 BMS，只需最少的操作員參與，并將自主運行，提供多年的可靠服務(wù)。

審核編輯：郭婷