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(dú)特和復(fù)雜要求的特定應(yīng)用測(cè)量IC可確?？煽康南到y(tǒng)性能。

使用大型電池陣列進(jìn)行備用和攜帶儲(chǔ)能越來(lái)越受到關(guān)注，特斯拉汽車(chē)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(lái)源持續(xù)充電，然后通過(guò) DC/AC 逆變器將交流線路電力回饋給用戶。

使用電池進(jìn)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(tái)式 PC 備份的瓦特為數(shù)百瓦，專(zhuān)用車(chē)輛（如船舶、混合動(dòng)力汽車(chē)或全電動(dòng)汽車(chē)）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(dá) 1 的數(shù)百千瓦。然而，盡管電池化學(xué)和技術(shù)的進(jìn)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(shí)施儲(chǔ)能電池管理系統(tǒng)時(shí)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(kuò)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(duì)關(guān)鍵電池單元參數(shù)的許多測(cè)量的高精度和置信度的需求。此外，設(shè)計(jì)必須在其子系統(tǒng)中采用模塊化設(shè)計(jì)，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(kuò)展、整體管理問(wèn)題和必要的維護(hù)。

大規(guī)模存儲(chǔ)陣列的操作環(huán)境也帶來(lái)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(cè)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)控和放電至關(guān)重要，而不僅僅是幾個(gè)粗略的聚合值。

由于這些電力系統(tǒng)的基本作用，其運(yùn)行可靠性本質(zhì)上至關(guān)重要。為了將這一容易陳述的目標(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，以便能夠持續(xù)采取必要的行動(dòng)。實(shí)現(xiàn)穩(wěn)健的設(shè)計(jì)和安全性是一個(gè)多層次的過(guò)程，BMS必須預(yù)測(cè)問(wèn)題，執(zhí)行自檢，并在所有子系統(tǒng)上提供故障檢測(cè)，然后在待機(jī)和操作模式下實(shí)施適當(dāng)?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(yán)格的監(jiān)管標(biāo)準(zhǔn)。

系統(tǒng)設(shè)計(jì)將概念轉(zhuǎn)化為實(shí)際結(jié)果

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

穩(wěn)健的設(shè)計(jì)始于對(duì)單個(gè)電池單元的全面監(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(cè)量必須時(shí)間同步以計(jì)算功率。BMS還必須評(píng)估每次測(cè)量的有效性，因?yàn)樗枰畲笙薅鹊靥岣邤?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(wèn)題的異常讀數(shù)，但同時(shí)，它不應(yīng)該根據(jù)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。模塊化還有助于在子部分之間的數(shù)據(jù)鏈路中在需要時(shí)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(yàn)）錯(cuò)誤檢測(cè)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(gè)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(kāi)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)在電網(wǎng)儲(chǔ)能系統(tǒng)和備用電源設(shè)備的設(shè)計(jì)中獲勝，證明了自己的優(yōu)勢(shì)，在這些系統(tǒng)中，可靠性和堅(jiān)固性至關(guān)重要。這種現(xiàn)成的BMS的主要優(yōu)勢(shì)在于其分層拓?fù)洌▓D2），具有三個(gè)子系統(tǒng)，每個(gè)子系統(tǒng)都有獨(dú)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(gè)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(jì)，可在各種功率水平下實(shí)現(xiàn)可擴(kuò)展性、魯棒性和可靠性

電芯接口提供對(duì)電池組中每個(gè)電芯的嚴(yán)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?cái)?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(gè)堆棧控制器，該控制器監(jiān)視和管理多個(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(jìn)行物理和電氣隔離。它還直接從電池組為 BMS 供電，因此無(wú)需任何外部電源即可進(jìn)行 BMS 操作。

Nuvation BMS的模塊化和分層架構(gòu)支持高達(dá)1250V的電池組電壓直流，使用電池接口模塊（每個(gè)模塊最多包含 16 個(gè)電池）、最多包含 48 個(gè)電池接口模塊的電池組以及包含多個(gè)并聯(lián)堆棧的電池組。從用戶的角度來(lái)看，整個(gè)陣列組件作為單個(gè)單元進(jìn)行管理。

自下而上的可靠設(shè)計(jì)構(gòu)建

模塊化架構(gòu)、分層拓?fù)浜湾e(cuò)誤感知設(shè)計(jì)等因素對(duì)于Nuvation BMS的完整性和可擴(kuò)展性至關(guān)重要，但還不夠。成功的實(shí)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(shí)現(xiàn)中發(fā)揮關(guān)鍵作用的原因。它專(zhuān)為滿足BMS系統(tǒng)和多節(jié)電池設(shè)計(jì)的需求而量身定制，首先提供多達(dá)12個(gè)串聯(lián)堆疊的電池單元的精確測(cè)量。其測(cè)量輸入不是以地為參考的，這大大簡(jiǎn)化了這些電池的測(cè)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(cè)量堆棧中的所有 12 個(gè)電池。這種同步電壓和電流測(cè)量對(duì)于對(duì)功率參數(shù)進(jìn)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(zhǔn)確、精確的測(cè)量，這是成功實(shí)施 BMS 的起點(diǎn)

當(dāng)然，在工作臺(tái)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(shí)世界BMS環(huán)境中的實(shí)際可實(shí)現(xiàn)性能不同。LTC6804 的模數(shù)轉(zhuǎn)換器 （ADC） 架構(gòu)采用專(zhuān)為電源逆變器噪聲而設(shè)計(jì)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(gè)雙絞線隔離 SPI 接口，支持高達(dá) 1Mb 的速率和長(zhǎng)達(dá) 100 米的距離。為了進(jìn)一步增強(qiáng)系統(tǒng)完整性，該IC包括一系列正在進(jìn)行的子系統(tǒng)測(cè)試。作為其可靠性和耐用性的進(jìn)一步證明，LTC6804 符合嚴(yán)格的 AEC-Q100 汽車(chē)質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)。該IC之所以能夠?qū)崿F(xiàn)其成果，是因?yàn)槠鋺?yīng)用特定設(shè)計(jì)緊密關(guān)注BMS問(wèn)題和環(huán)境，包括應(yīng)用的獨(dú)特系統(tǒng)級(jí)目標(biāo)及其諸多挑戰(zhàn)。

解決的三個(gè)主要問(wèn)題

LTC6804 解決了影響系統(tǒng)性能、轉(zhuǎn)換準(zhǔn)確度、電池平衡和連接 / 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(zhǎng)期精度要求，它使用埋藏齊納轉(zhuǎn)換基準(zhǔn)而不是帶隙基準(zhǔn)。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(jí)基準(zhǔn)電壓源以及出色的長(zhǎng)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)電池單元測(cè)量的基礎(chǔ)，這些誤差會(huì)對(duì)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(zhǔn)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(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(cè)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?fù)浣Y(jié)構(gòu)，并輔以 6 個(gè)用戶可選的濾波器選項(xiàng)以應(yīng)對(duì)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?yàn)樗举|(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(xì)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(duì)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(shí)匹配良好，但隨著年齡的增長(zhǎng)，它們會(huì)失去容量。由于許多因素，老化過(guò)程可能因電池而異，例如電池組溫度的梯度。加劇整個(gè)過(guò)程的是，允許超出其SOC限制運(yùn)行的單元將過(guò)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，導(dǎo)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)平衡 （利用一個(gè)用戶可設(shè)置的定時(shí)器）。被動(dòng)平衡是一種低成本、簡(jiǎn)單的方法，可在電池充電周期內(nèi)對(duì)所有電池單元的 SOC 進(jìn)行歸一化。通過(guò)消除低容量電池的電荷，被動(dòng)平衡可確保這些低容量電池不會(huì)過(guò)度充電。LTC6804 還可用于控制主動(dòng)平衡，這是一種更復(fù)雜的平衡技術(shù)，可通過(guò)充電或放電周期在電池之間傳輸電荷。

無(wú)論是使用主動(dòng)還是被動(dòng)方法，電池平衡都依賴于高測(cè)量精度。隨著測(cè)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)這些誤差的敏感性也會(huì)增加。LTC6804 小于 1.2mV 的總測(cè)量誤差完全符合系統(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)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，這種模塊化要求電池組之間的數(shù)據(jù)總線具有電流隔離（無(wú)歐姆路徑），因此任何一個(gè)組的故障都不會(huì)影響系統(tǒng)的其余部分或在總線上施加高電壓。此外，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(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 提供了一個(gè)稱(chēng)為 iso-SPI 的隔離式 SPI 互連，它將時(shí)鐘、數(shù)據(jù)輸入、數(shù)據(jù)輸出和片選信號(hào)編碼為差分脈沖，然后通過(guò)變壓器（一種堅(jiān)固、可靠且長(zhǎng)期建立的隔離組件）耦合（圖 5）。

圖5.LTC6804 支持一個(gè)隔離式 SPI 接口，該接口可采用菊花鏈連接以實(shí)現(xiàn)更大的陣列，從而形成一個(gè)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(jì)，同時(shí)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(cè)試結(jié)果顯示，盡管注入了 200mA 的 RF，而 isoSPI 在 20mA 信號(hào)強(qiáng)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(duì) LTC6804 進(jìn)行了 BCI 測(cè)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(duì)一個(gè) 1.7kHz 截止頻率進(jìn)行了編程，并增加了一個(gè)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)估和自檢功能增加了 LTC6804 對(duì) BMS 應(yīng)用的適用性。這些檢查包括開(kāi)路檢測(cè);用于ADC時(shí)鐘的第二個(gè)內(nèi)部基準(zhǔn);多路復(fù)用器自檢，甚至測(cè)量其內(nèi)部電源電壓。該器件專(zhuān)為符合 ISO 26262 和 IEC 61508 標(biāo)準(zhǔn)的系統(tǒng)而設(shè)計(jì)。

結(jié)論

電網(wǎng)級(jí)系統(tǒng)的備用和直通電源有很多魅力。這看起來(lái)很簡(jiǎn)單：只需保持電池陣列充電（無(wú)論是來(lái)自電網(wǎng)交流線路，還是太陽(yáng)能、風(fēng)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(shí)將電池與 DC/AC 逆變器一起使用。

現(xiàn)實(shí)情況是，電池在任何行為或性能特征上都不簡(jiǎn)單，它們需要仔細(xì)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(shí)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(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)。需要了解和解決許多獨(dú)特的問(wèn)題，其中安全也是一個(gè)主要問(wèn)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LTC6804等優(yōu)化組件自下而上提供支持。當(dāng)與復(fù)雜、安全的數(shù)據(jù)采集和控制軟件相結(jié)合時(shí)，結(jié)果是一個(gè)高性能、可靠的 BMS，只需最少的操作員參與，并將自主運(yùn)行，提供多年的可靠服務(wù)。

審核編輯：郭婷