大規(guī)模電池陣列管理系統(tǒng)中的測量精度和可靠性分析

并網(wǎng)電池陣列是可行的備用和直通電源，滿足其獨(dú)特和復(fù)雜要求的專用測量IC可確保可靠的系統(tǒng)性能。

大規(guī)模電池陣列用于備份和攜帶能量存儲(chǔ)的應(yīng)用日益受到關(guān)注，特斯拉汽車最近宣布推出用于家庭和辦公室的Powerwall系統(tǒng)。這些系統(tǒng)中的電池通過電力線網(wǎng)或其他電源連續(xù)充電，然后通過DC / AC逆變器將AC線路電源提供給用戶。

使用電池進(jìn)行備用電源不是新的，許多系統(tǒng)跨越基本的120 / 240V ac 和幾百瓦的短期臺(tái)式PC備份，到數(shù)千瓦的特種車輛，如船舶，混合動(dòng)力汽車或全電動(dòng)用于電網(wǎng)規(guī)模的電信和數(shù)據(jù)中心備份的車輛高達(dá)數(shù)百千瓦（見圖1）。然而，雖然電池化學(xué)和技術(shù)的進(jìn)步得到了很多關(guān)注，但可行的基于電池的安裝的一個(gè)同樣關(guān)鍵的部分是其電池管理系統(tǒng)（BMS）。

當(dāng)面臨許多挑戰(zhàn)時(shí)實(shí)施用于儲(chǔ)能的電池管理系統(tǒng)，他們的解決方案不僅僅是從小規(guī)模，低容量的電池組擴(kuò)展。相反，需要新的和更復(fù)雜的策略和關(guān)鍵支持組件。

挑戰(zhàn)始于對(duì)關(guān)鍵電池單元參數(shù)的多次測量的高精度和可靠性的需求。此外，設(shè)計(jì)必須在其子系統(tǒng)中采用模塊化，以便根據(jù)應(yīng)用的特定需求定制配置，以及可能的擴(kuò)展，整體管理問題和必要的維護(hù)。

大規(guī)模的運(yùn)行環(huán)境存儲(chǔ)陣列也帶來了其他重大挑戰(zhàn)。盡管存在高電壓/電流逆變器和由此產(chǎn)生的電流尖峰，但BMS必須在極其嘈雜的電氣和通常熱的環(huán)境中提供精確，一致的數(shù)據(jù)。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(xì)粒度數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)對(duì)于充電，監(jiān)測和放電至關(guān)重要，而不僅僅是一些粗刷聚合值。

由于這些電力系統(tǒng)的基本作用，其運(yùn)行可靠性本質(zhì)上是至關(guān)重要的。為了將這個(gè)容易陳述的目標(biāo)變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)，BMS必須確保數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和完整性，以及持續(xù)的健康評(píng)估，以便它可以持續(xù)采取所需的行動(dòng)。實(shí)現(xiàn)穩(wěn)健的設(shè)計(jì)和安全是一個(gè)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(jī)和運(yùn)行模式下實(shí)施適當(dāng)?shù)牟僮?。作為最終的授權(quán)，由于高電壓，電流和功率水平，BMS必須滿足許多嚴(yán)格的監(jiān)管標(biāo)準(zhǔn)。

系統(tǒng)設(shè)計(jì)將概念轉(zhuǎn)化為現(xiàn)實(shí)世界的結(jié)果

雖然監(jiān)控可充電電池的概念很簡單 - 只需將電壓和電流測量電路放在電池端子上 - BMS的實(shí)際情況就完全不同了，而且要復(fù)雜得多。

堅(jiān)固的設(shè)計(jì)始于對(duì)各個(gè)電池單元進(jìn)行全面監(jiān)控，這對(duì)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(shí)間同步才能計(jì)算功率。 BMS還必須評(píng)估每個(gè)測量的有效性，因?yàn)樗枰畲蠡瘮?shù)據(jù)完整性，同時(shí)還必須識(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)，它不應(yīng)基于有錯(cuò)誤的數(shù)據(jù)采取行動(dòng)。

模塊化BMS架構(gòu)增強(qiáng)了穩(wěn)健性，可擴(kuò)展性和可靠性。模塊化還便于在子部分之間的數(shù)據(jù)鏈路中使用隔離，以最小化電噪聲的影響并增強(qiáng)安全性。此外，包括CRC（循環(huán)冗余校驗(yàn)）錯(cuò)誤檢測和鏈路確認(rèn)協(xié)議在內(nèi)的高級(jí)數(shù)據(jù)編碼格式可確保數(shù)據(jù)完整性，因此系統(tǒng)管理功能可以確保收到的數(shù)據(jù)是發(fā)送的數(shù)據(jù)。

結(jié)合這些原理的BMS的示例是由Nuvation Engineering（Waterloo，Ontario和Sunnyvale，CA）開發(fā)的可擴(kuò)展和可定制的電池管理系統(tǒng)。 Nuvation BMS設(shè)計(jì)在網(wǎng)格能量存儲(chǔ)系統(tǒng)和電源備份設(shè)備方面取得了巨大成功，其可靠性和堅(jiān)固性至關(guān)重要。這種現(xiàn)成的BMS的關(guān)鍵優(yōu)勢在于其分層的分層拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)（圖2），其中包含三個(gè)子系統(tǒng)，每個(gè)子系統(tǒng)都具有獨(dú)特的功能，如圖3所示。

單元接口提供對(duì)堆棧中每個(gè)電池單元的嚴(yán)密管理和監(jiān)控;系統(tǒng)根據(jù)需要使用盡可能多的單元接口，具體取決于堆棧的數(shù)量。這些接口可以菊花鏈?zhǔn)竭B接，因?yàn)閱卧獢?shù)量會(huì)增加堆棧電壓。

單元接口連接到單個(gè)堆棧控制器，監(jiān)控和管理多個(gè)單元接口單元。如果需要，可以將多個(gè)堆?？刂破鬟B接在一起，以支持并聯(lián)多個(gè)堆棧的大型堆棧。

電源接口將堆棧控制器連接到高壓/電流線路，并且是逆變器/充電器的接口。它將堆疊中的高壓和高電流元件與其他模塊進(jìn)行物理和電氣隔離。它還直接從電池組為BMS供電，因此無需為BMS操作提供任何外部電源。

Nuvation BMS的模塊化和分層架構(gòu)支持電池組電壓最高可達(dá)1250V dc ，使用單元接口模塊，每個(gè)模塊最多包含16個(gè)單元，最多可堆疊48個(gè)單元接口模塊，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)陣列組件作為一個(gè)單元進(jìn)行管理。

從底層開始構(gòu)建實(shí)體設(shè)計(jì)

模塊化架構(gòu)，分層等因素拓?fù)浜湾e(cuò)誤感知設(shè)計(jì)對(duì)于Nuvation BMS的完整性和可擴(kuò)展性至關(guān)重要，但還不夠。成功實(shí)施需要高性能功能模塊作為物理基礎(chǔ)。

這就是凌力爾特公司的LTC6804多節(jié)電池監(jiān)控器IC（圖4）在Nuvation BMS實(shí)施中發(fā)揮關(guān)鍵作用的原因。它專為滿足BMS系統(tǒng)和多電池設(shè)計(jì)的需求而量身定制，從提供多達(dá)12個(gè)串聯(lián)電池組的精確測量開始。其測量輸入不以地為參考，大大簡化了這些電池的測量，LTC6804本身可堆疊用于高壓陣列（并且還支持各種電池化學(xué)）。它在16位分辨率下提供最大0.033％的誤差，并且僅需290μs即可測量堆棧中的所有12個(gè)單元。這種同步的電壓和電流測量對(duì)于產(chǎn)生有意義的功率參數(shù)分析至關(guān)重要。

當(dāng)然，在板凳原型的良性環(huán)境中的性能與在電氣和環(huán)境惡劣的真實(shí)世界BMS設(shè)置中的實(shí)際可實(shí)現(xiàn)性能不同。 LTC6804的模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換器（ADC）架構(gòu)旨在通過專為功率逆變器噪聲設(shè)計(jì)的濾波器來抵抗和最小化這些不利影響。

數(shù)據(jù)接口使用單個(gè)雙絞線隔離SPI接口支持高達(dá)1Mb的速率和最遠(yuǎn)100米的距離。為了進(jìn)一步增強(qiáng)系統(tǒng)完整性，IC包括一系列正在進(jìn)行的子系統(tǒng)測試。作為其可靠性和堅(jiān)固性的進(jìn)一步表明，LTC6804符合嚴(yán)格的AEC-Q100汽車質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)。該IC通過特定于應(yīng)用的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)其結(jié)果，該設(shè)計(jì)密切關(guān)注BMS問題和環(huán)境，包括應(yīng)用程序的獨(dú)特系統(tǒng)級(jí)目標(biāo)及其許多挑戰(zhàn)。

已解決的三個(gè)主要問題

LTC6804解決了影響系統(tǒng)性能，轉(zhuǎn)換精度，單元平衡和連接/數(shù)據(jù)完整性考慮因素的三個(gè)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，它使用埋入式齊納轉(zhuǎn)換參考而不是帶隙參考。這提供了穩(wěn)定的低漂移（20ppm /√ kHr ），低溫系數(shù)（3ppm /°C），低滯后（20ppm）初級(jí)電壓基準(zhǔn)以及出色的長期穩(wěn)定性。這種準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性至關(guān)重要，因?yàn)樗撬泻罄m(xù)電池測量的基礎(chǔ)，這些誤差會(huì)對(duì)采集的數(shù)據(jù)可信度，算法一致性和系統(tǒng)性能產(chǎn)生累積影響。

雖然精度高參考是確保卓越性能的必要特征，僅憑這一點(diǎn)是不夠的。 A / D轉(zhuǎn)換器架構(gòu)及其操作必須滿足電噪聲環(huán)境中的規(guī)范，這是系統(tǒng)的高電流/電壓逆變器的脈沖寬度調(diào)制（PWM）瞬變的結(jié)果。準(zhǔn)確評(píng)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B(tài)MS性能之前降低系統(tǒng)噪聲，LTC6804轉(zhuǎn)換器使用delta-sigma拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，由六個(gè)用戶可選擇的濾波器選項(xiàng)輔助，以解決嘈雜的環(huán)境問題。 delta-sigma方法減少了電磁干擾（EMI）和其他瞬態(tài)噪聲的影響，因?yàn)槠涿看无D(zhuǎn)換使用大量樣本的性質(zhì)，具有平均濾波功能。

2、電池平衡

對(duì)于使用大型電池組排列為電池組或模塊組的任何系統(tǒng)，電池平衡的需求是不可避免的結(jié)果。雖然大多數(shù)鋰電池在首次獲得時(shí)匹配良好，但隨著老化，它們會(huì)失去容量。由于許多因素，例如包裝溫度的梯度，老化過程可能因細(xì)胞而異。加劇整個(gè)過程，允許超出其SOC限制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(fù)載電流的微小差異會(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)平衡（使用用戶可設(shè)置的定時(shí)器） 。無源平衡是一種低成本，簡單的方法，可在電池充電周期內(nèi)對(duì)所有電池的SOC進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化。通過從較低容量電池移除電荷，被動(dòng)平衡確保這些較低容量的電池不會(huì)過度充電。 LTC6804還可用于控制有源平衡，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。

無論是采用有源還是無源方式，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(hù)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(jìn)一步限制，對(duì)這些誤差的靈敏度也增加。 LTC6804的總測量誤差小于1.2mV，完全符合系統(tǒng)級(jí)要求。

3、連接/數(shù)據(jù)完整性注意事項(xiàng)

電池組設(shè)計(jì)中的模塊化增加了可擴(kuò)展性，服務(wù)能力和外形靈活性。但是，這種模塊化要求封裝之間的數(shù)據(jù)總線具有電流隔離（無歐姆路徑），因此任何一個(gè)封裝中的故障都不會(huì)影響系統(tǒng)的其余部分或在總線上施加高電壓。此外，封裝之間的布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(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提供稱為iso-SPI的隔離SPI互連，它將時(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，然后通過變壓器耦合，堅(jiān)固，可靠且長期建立隔離組件（圖5）。

總線上的設(shè)備可以采用菊花鏈配置連接，這大大減少了線束尺寸，并實(shí)現(xiàn)了大型高壓電池組的模塊化設(shè)計(jì)，同時(shí)保持高數(shù)據(jù)速率和低EMI敏感性（圖6）。

為了展示抗噪能力，凌力爾特公司對(duì)LTC6804進(jìn)行了BCI測試。這包括將100mA的RF能量耦合到電池線束中，RF載波從1MHz掃描到400MHz，載波上有1kHz AM調(diào)制。 LTC6804數(shù)字濾波器的編程頻率為1.7kHz，并且還添加了外部RC濾波器和鐵氧體扼流圈。結(jié)果：在整個(gè)RF掃描范圍內(nèi)，電壓讀數(shù)誤差低于2mV。

一系列自我評(píng)估和自測功能增加了LTC6804對(duì)BMS應(yīng)用的適用性。這些檢查包括開線檢測; ADC時(shí)鐘的第二個(gè)內(nèi)部參考;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(biāo)準(zhǔn)的系統(tǒng)而設(shè)計(jì)。

結(jié)論

備份相關(guān)的魅力很多和網(wǎng)格級(jí)系統(tǒng)的隨身攜帶用品。這似乎很簡單：只需保持一系列電池充電（無論是來自電網(wǎng) - 交流線路，還是太陽能，風(fēng)能或其他可再生能源），然后在需要提供線路等效時(shí)使用帶DC / AC逆變器的電池交流電源。

現(xiàn)實(shí)情況是，電池的任何行為或性能特征都不簡單，需要仔細(xì)控制充電，監(jiān)控電壓，電流，溫度和放電。隨著功率水平的提高，實(shí)用，高效和安全的系統(tǒng)不是一個(gè)簡單的設(shè)計(jì)，因此并網(wǎng)多單元BMS是一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)。需要理解和解決許多獨(dú)特的問題，安全性也是一個(gè)主要問題。

成功且可行的系統(tǒng)設(shè)計(jì)需要模塊化，結(jié)構(gòu)化，自上而下的架構(gòu)，由自下而上的優(yōu)化組件支持例如LTC6804。結(jié)合先進(jìn)，安全的數(shù)據(jù)采集和控制軟件，結(jié)果是一個(gè)高性能，可靠的BMS，只需要最少的操作員參與，并且可以自動(dòng)運(yùn)行多年的可靠服務(wù)。