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(cè)量 IC 可滿足 獨(dú)特而復(fù)雜的要求，確保實(shí)現(xiàn)可靠的系統(tǒng)性能。
使用大規(guī)模電池陣列作為備用和便攜儲(chǔ)能裝置正受到越來(lái)越多的關(guān)注，特斯拉汽車(chē)公司近期針對(duì)家庭和辦公應(yīng)用推出的 Powerwall 系統(tǒng)就是明證。在這些系統(tǒng)中，電池不斷通過(guò)供電電網(wǎng)或其他電源充電，然后在用戶需要時(shí)通過(guò)DC/AC逆變器將交流電源輸送給用戶。
使用電池作為備用電源并不新鮮，許多系統(tǒng)都提供從基本的 120/240Vac 和數(shù)百瓦（用于臺(tái)式電腦短期備用），到數(shù)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(guī)模電信和數(shù)據(jù)中心的備用電源則高達(dá)數(shù)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(tǒng)(BMS)部分也同樣重要。
圖1.基于電池的備用電源非常適合數(shù)千瓦至數(shù)百千瓦的固定和移動(dòng)應(yīng)用，并且可以在各種應(yīng)用中提供可靠有效的電源
在實(shí)施儲(chǔ)能電池管理系統(tǒng)時(shí)存在許多挑戰(zhàn)，其解決方案不能簡(jiǎn)單地從小規(guī)模、低容量的電池組進(jìn)行擴(kuò)展，而是需要新的、更復(fù)雜的戰(zhàn)略和關(guān)鍵支持組件。
第一個(gè)挑戰(zhàn)是許多重要電池電芯參數(shù)的測(cè)量需要高精度和可信度。此外，其子系統(tǒng)必須采用模塊化設(shè)計(jì)，允許根據(jù)應(yīng)用的具體需求定制配置，并考慮可能進(jìn)行的擴(kuò)展、整體管理問(wèn)題和必要的維護(hù)。
大型存儲(chǔ)陣列的工作環(huán)境也帶來(lái)了其他重大挑戰(zhàn)。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(shù)據(jù)。此外，它還必須提供關(guān)于內(nèi)部模塊的大量精確數(shù)據(jù)和系統(tǒng)溫度測(cè)量，這對(duì)于充電、監(jiān)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(tǒng)承擔(dān)著基本工作任務(wù)，因此其運(yùn)行可靠性至關(guān)重要。為了實(shí)現(xiàn)這些目標(biāo)，BMS 必須確保數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和完整性，同時(shí)不斷進(jìn)行狀態(tài)評(píng)估，以便能夠持續(xù)采取必要的措施。實(shí)現(xiàn)可靠的設(shè)計(jì)和安全性是一個(gè)多級(jí)過(guò)程，BMS必須預(yù)測(cè)問(wèn)題，執(zhí)行自測(cè)，并對(duì)所有子系統(tǒng)進(jìn)行故障檢測(cè)，然后在待機(jī)和操作模式下執(zhí)行適當(dāng)?shù)牟僮鳌Ｗ詈螅捎诟唠妷骸⒏唠娏骱透吖β孰娖剑珺MS 必須滿足許多嚴(yán)格的監(jiān)管標(biāo)準(zhǔn)。
通過(guò)系統(tǒng)設(shè)計(jì)將概念轉(zhuǎn)化為實(shí)際方案
盡管監(jiān)控可充電電池的概念很簡(jiǎn)單（只需在電池兩端設(shè)置電壓和電流測(cè)量電路），但BMS的實(shí)際情況完全不同，而且要復(fù)雜得多。
可靠的設(shè)計(jì)首先要全面監(jiān)控單個(gè)電池電芯，這就對(duì)模擬功能有很高的要求。電芯讀數(shù)需要精確到毫伏和毫安，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)估每個(gè)測(cè)量值的有效性，需要較大限度地提高數(shù)據(jù)完整性，同時(shí)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)也不能基于錯(cuò)誤的數(shù)據(jù)采取行動(dòng)。
模塊化BMS 架構(gòu)可提高穩(wěn)健性、可擴(kuò)展性和可靠性。模塊化還有助于根據(jù)需要在數(shù)據(jù)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(yàn)）誤差檢測(cè)和鏈路確認(rèn)協(xié)議的先進(jìn)數(shù)據(jù)編碼格式可確保數(shù)據(jù)完整性，以便系統(tǒng)管理功能確信其接收的數(shù)據(jù)就是發(fā)送的數(shù)據(jù)。
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(kuò)展、可自定義電池管理系統(tǒng)就采用了上述原則。實(shí)踐證明，Nuvation BMS中的電網(wǎng)儲(chǔ)能系統(tǒng)和備用電源設(shè)備設(shè)計(jì)非常成功，其中可靠性和堅(jiān)固性至關(guān) 重要。這個(gè)現(xiàn)成 BMS 的核心優(yōu)勢(shì)在于其包含三個(gè)子系統(tǒng)的分層分級(jí)拓?fù)洌▓D 2），每個(gè)子系統(tǒng)都具有獨(dú)特的功能，如圖 3 所示。
圖 2.Nuvation Engineering 電池管理系統(tǒng)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(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)（電池電芯接口、電池堆棧控制器、電源接口）采用模 塊化分層設(shè)計(jì)，可在各種功率電平下實(shí)現(xiàn)可擴(kuò)展性、穩(wěn)健性和可靠性
電芯接口嚴(yán)格管理和監(jiān)控電池堆棧中的每個(gè)電池電芯；系統(tǒng)根據(jù)需要使用盡可能多的電芯接口，具體取決于電池堆棧的數(shù)量。這些接口可根據(jù)電芯數(shù)量以菊花鏈形式連接，從而使堆棧電壓增加。
電芯接口連接到單個(gè)堆棧控制器，該控制器監(jiān)控和管理多個(gè)電芯接口單元。如果需要，可以將多個(gè)堆棧控制器連接在一起，以支持具有許多并行堆棧的大型電池組。
電源接口將堆棧控制器連接到高電壓/電流線，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(xiàn)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(yùn)行。
Nuvation BMS 的模塊化分層架構(gòu)支持高達(dá) 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(dá) 16 節(jié)電芯、具有多達(dá) 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(gòu)建可靠的設(shè)計(jì)
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(chǔ)。
這就是 LTC6804 多電芯電池監(jiān)控器 IC（圖 4）在 Nuvation BMS 實(shí)施中起關(guān)鍵 作用的原因。它專(zhuān)為滿足 BMS 系統(tǒng)和多電芯設(shè)計(jì)需求而定制，可對(duì)多達(dá) 12 個(gè)串 聯(lián)堆疊的電池電芯進(jìn)行精確測(cè)量。其測(cè)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(cè)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(cè)量電池堆棧中的所有 12 個(gè)電芯。這種同步電壓和電流測(cè)量對(duì)于產(chǎn)生有意 義的功率參數(shù)分析至關(guān)重要。
圖 4.LTC6804 多電芯電池監(jiān)控器 IC 可對(duì)堆疊的電池電芯進(jìn)行精準(zhǔn)測(cè)量，這是成功實(shí)施 BMS 的起點(diǎn)
當(dāng)然， 良好的工作臺(tái)原型機(jī)制作環(huán)境與在電氣和環(huán)境條件不利的真實(shí) BMS 設(shè)置相比，兩者的實(shí)際可實(shí)現(xiàn)性能是不一樣的。LTC6804 的模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換器(ADC) 架構(gòu)旨在使用專(zhuān)門(mén)針對(duì)功率逆變器噪聲而設(shè)計(jì)的濾波器抑制并盡量減少這些不 利影響。
數(shù)據(jù)接口使用單條雙絞線、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 還進(jìn)行了一系列子系統(tǒng)測(cè)試。 LTC6804 滿足嚴(yán)格的 AEC-Q100 汽車(chē)質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)，進(jìn)一步證明了其可靠性和堅(jiān)固性。 這款 IC 能取得這樣的成效，是因?yàn)槠湓O(shè)計(jì)密切關(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)。
解決的三大問(wèn)題
LTC6804 主要解決了影響系統(tǒng)性能、轉(zhuǎn)換精度、電池均衡以及連接性/數(shù)據(jù)完 整性考慮因素的三個(gè)方面：
轉(zhuǎn)換精度
BMS 應(yīng)用具備短期和長(zhǎng)期精度需求，因此使用了掩埋式齊納轉(zhuǎn)換基準(zhǔn)電壓源 而非帶隙基準(zhǔn)電壓源。這能夠提供穩(wěn)定的低漂移 (20ppm/√ kHr) 、低溫度系數(shù) (3ppm/°C) 、低滯回(20ppm)原邊電壓基準(zhǔn)源以及出色的長(zhǎng)期穩(wěn)定性。這種精度和 穩(wěn)定性至關(guān)重要，它是所有后續(xù)電池電芯測(cè)量的基礎(chǔ)，這些錯(cuò)誤對(duì)所獲數(shù)據(jù)的可 信度、算法一致性和系統(tǒng)性能會(huì)產(chǎn)生累積影響。
雖然高精度基準(zhǔn)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(shù)轉(zhuǎn)換器架構(gòu)及其操作必須符合電噪聲環(huán)境要求，這是系統(tǒng)大電流/電壓逆變 器的脈寬調(diào)制(PWM)瞬態(tài)特性的結(jié)果。準(zhǔn)確評(píng)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(cè)量。
為了在影響 BMS 性能之前減輕系統(tǒng)噪聲，LTC6804 轉(zhuǎn)換器使用了一個(gè)Σ-Δ拓 撲結(jié)構(gòu)，并在六個(gè)由用戶選擇的濾波器選項(xiàng)輔助下處理噪聲環(huán)境。通過(guò)每次轉(zhuǎn)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(tǒng)中，都不可避免地需要實(shí)現(xiàn)電池均衡。雖然大多數(shù)鋰電池電芯在首次獲取時(shí)匹配良好，但會(huì)隨著老化 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(fù)載電流的小差異都會(huì)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)式均衡（使用用戶可設(shè)置 的計(jì)時(shí)器）。被動(dòng)式均衡是在電池充電周期內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)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(fù)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(cè)量精度。隨著測(cè) 量誤差越來(lái)越大，系統(tǒng)所建立的操作保護(hù)等級(jí)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(duì)這些誤差的靈敏度也 增加了。LTC6804 的總測(cè)量誤差小于 1.2mV ，完全符合系統(tǒng)級(jí)要求。
連接性/數(shù)據(jù)完整性考慮因素
電池組設(shè)計(jì)的模塊化增加了可擴(kuò)展性、服務(wù)能力和外形尺寸的靈活性。然而， 這種模塊化要求為電池組間的數(shù)據(jù)總線提供電氣隔離（無(wú)電阻路徑），因此任何一個(gè)電池組出現(xiàn)故障都不會(huì)影響系統(tǒng)的其他部分或?qū)偩�施加高電壓。此外，電 池組之間的布線必須能夠承受高水平的電磁干擾。
隔離式雙絞線的數(shù)據(jù)總線是一種能夠以緊湊且經(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 提供一種稱(chēng)為 iso-SPI 的隔離式 SPI 互聯(lián)，可 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(guò)堅(jiān)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(gòu)成更大的陣列，從而實(shí)現(xiàn)可靠 的抗電磁干擾互聯(lián)，盡量降低布線要求，減少隔離器數(shù)量
總線上的器件可采用菊花鏈配置進(jìn)行連接，這大大縮小了線束的尺寸，可實(shí) 現(xiàn)大型高電壓電池組模塊化設(shè)計(jì)，同時(shí)保持高數(shù)據(jù)速率和低 EMI 敏感度（圖 6）。
圖 6.LTC6804 和 isoSPI 接口上的測(cè)試結(jié)果顯示，輸入射頻為 200mA ，isoSPI 在 20mA 信號(hào)強(qiáng)度下運(yùn)行時(shí)沒(méi)有出現(xiàn)數(shù)據(jù)錯(cuò)誤
為了驗(yàn)證抗擾度，還對(duì) LTC6804 進(jìn)行了 BCI 測(cè)試。包括將 100mA 的射頻能量 耦合到電池線束中，射頻載波掃頻范圍為 1MHz 至 400MHz ，并對(duì)載波進(jìn)行 1kHz 調(diào)幅調(diào)制。LTC6804 數(shù)字濾波器的截止頻率設(shè)定為 1.7kHz ，并添加了外部 RC 濾波器和鐵氧體扼流圈。結(jié)果：在整個(gè)射頻掃頻范圍內(nèi)，電壓讀數(shù)誤差低于 2mV。
此外，還提供了一系列自我評(píng)估和自測(cè)功能，以增加 LTC6804 對(duì) BMS 應(yīng)用 的適用性。這些檢測(cè)包括開(kāi)路檢測(cè)；ADC 時(shí)鐘的第二個(gè)內(nèi)部基準(zhǔn)源；多路復(fù)用器 自測(cè)，甚至還有其內(nèi)部電源電壓的測(cè)量。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
用于電網(wǎng)級(jí)系統(tǒng)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(cè)線路，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(jiān)控電壓、電流和溫度。隨著功率電平的提高，實(shí)用、高效且安全的系統(tǒng)并非一 個(gè)小設(shè)計(jì)，因此并網(wǎng)多電芯 BMS 是一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)。許多獨(dú)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(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。與先進(jìn)、安全的數(shù)據(jù)采集和控制軟件相結(jié)合，所構(gòu) 建的高性能 BMS 安全可靠，只需要很少的操作人員干預(yù)，并且能夠自動(dòng)可靠地 穩(wěn)定運(yùn)行多年。 |
