最大限度提高能量存儲(chǔ)電池管理系統(tǒng)中 電池電量監(jiān)視的準(zhǔn)確度和數(shù)據(jù)完整性

大型電池陣列可以作為備份和連續(xù)供電的能量存儲(chǔ)系統(tǒng)，這種用法正在得到越來(lái)越多的關(guān)注，特斯拉汽車公司不久前推出的家用和商用 Powerwall 系統(tǒng)證明了這一點(diǎn)。這類系統(tǒng)中的電池由電網(wǎng)或其他能源連續(xù)充電，然后通過(guò) DC/AC 逆變器向用戶提供交流 (AC) 電。

用電池作為備份電源并不是新鮮事，目前已經(jīng)有很多種電池備份電源系統(tǒng)了，例如基本的 120/240Vac 和數(shù)百瓦功率的臺(tái)式 PC 短期備份電源系統(tǒng)，船舶、混合動(dòng)力汽車或全電動(dòng)型汽車使用的數(shù)千瓦特種車船備份電源系統(tǒng)，電信系統(tǒng)和數(shù)據(jù)中心使用的電網(wǎng)級(jí)數(shù)百千瓦備份電源系統(tǒng) (參見(jiàn)圖 1) … 等等。盡管電池化學(xué)組成和電池技術(shù)領(lǐng)域的進(jìn)步引起了很大的關(guān)注，但是對(duì)于一個(gè)可行和基于電池的備份系統(tǒng)而言，還有一個(gè)同樣關(guān)鍵的部分，那就是電池管理系統(tǒng) (BMS)。

圖 1：基于電池的備份電源非常適合從數(shù)千瓦到數(shù)百 kW 功率的固定及移動(dòng)應(yīng)用，可為多種應(yīng)用可靠和有效地供電。

為能量存儲(chǔ)應(yīng)用實(shí)現(xiàn)電池管理系統(tǒng)時(shí)有很多挑戰(zhàn)，其解決方案絕不是從小型、較低容量電池包的管理系統(tǒng)簡(jiǎn)單“擴(kuò)展”而成。相反，需要新的、更加復(fù)雜的戰(zhàn)略以及關(guān)鍵的支持組件。

挑戰(zhàn)的起點(diǎn)是，要求很多關(guān)鍵電池參數(shù)的測(cè)量值具備高準(zhǔn)確度和可信度。此外，子系統(tǒng)的設(shè)計(jì)必須是模塊化的，以能夠按照應(yīng)用的特定需求對(duì)配置進(jìn)行定制，還要考慮可能的擴(kuò)展要求、整體管理問(wèn)題以及必要的維護(hù)。

較大型存儲(chǔ)陣列的工作環(huán)境還帶來(lái)了其他重大挑戰(zhàn)。在逆變器電壓很高 / 電流很大并因此而產(chǎn)生電流尖峰的情況下，BMS 還必須在噪聲極大的電氣環(huán)境而且常常是溫度很高的環(huán)境中提供精確、一致的數(shù)據(jù)。此外，BMS 還必須針對(duì)內(nèi)部模塊和系統(tǒng)溫度測(cè)量值提供廣泛的 “精細(xì)” 數(shù)據(jù)，而不是有限的幾項(xiàng)粗略的總計(jì)數(shù)據(jù)，因?yàn)檫@些數(shù)據(jù)對(duì)于充電、監(jiān)視和放電而言是至關(guān)重要的。

由于這些電源系統(tǒng)的重要作用，因此它們的工作可靠性具有與生俱來(lái)的關(guān)鍵性。要把上面這個(gè)很容易表述的目標(biāo)變成現(xiàn)實(shí)，BMS 必須確保數(shù)據(jù)準(zhǔn)確度和完整性以及連續(xù)的健康評(píng)估，這樣 BMS 才能持續(xù)采取所需行動(dòng)。實(shí)現(xiàn)堅(jiān)固的設(shè)計(jì)和可靠的安全性是一個(gè)多級(jí)過(guò)程，BMS 必須針對(duì)所有子系統(tǒng)預(yù)期可能出現(xiàn)的問(wèn)題、執(zhí)行自測(cè)試并提供故障檢測(cè)，然后在備用模式和工作模式采用恰當(dāng)?shù)男袆?dòng)。最后一個(gè)要求是，由于高壓、大電流和大功率，所以 BMS 必須滿足很多嚴(yán)格的監(jiān)管標(biāo)準(zhǔn)要求。

系統(tǒng)設(shè)計(jì)將概念轉(zhuǎn)變成真實(shí)世界的成果

盡管監(jiān)視可再充電電池從概念上看很簡(jiǎn)單，只需將電壓和電流測(cè)量電路放在電池端子處即可，但現(xiàn)實(shí)中的 BMS 卻很不一樣，要復(fù)雜得多。

堅(jiān)固的設(shè)計(jì)始于對(duì)各節(jié)電池的全面監(jiān)視，這對(duì)模擬電路功能提出了一些重要要求。電池讀數(shù)需要達(dá)到毫伏和毫安級(jí)準(zhǔn)確度，電壓和電流測(cè)量值必須是時(shí)間同步以計(jì)算功率。BMS 必須評(píng)估每次測(cè)量的有效性，因?yàn)樗枰畲笙薅忍岣邤?shù)據(jù)完整性，同時(shí) BMS 還必須識(shí)別錯(cuò)誤或有問(wèn)題的讀數(shù)。BMS 不能忽視不尋常的讀數(shù)，因?yàn)檫@種讀數(shù)也許表明有潛在問(wèn)題，但同時(shí)，BMS 又不能根據(jù)有錯(cuò)誤的數(shù)據(jù)采取行動(dòng)。

模塊化 BMS 架構(gòu)提高了堅(jiān)固性、可擴(kuò)展性和可靠性。數(shù)據(jù)鏈路各部分之間需要隔離，以最大限度降低電氣噪聲的影響，并提高安全性，而模塊化為實(shí)現(xiàn)隔離提供了方便。此外，先進(jìn)的數(shù)據(jù)編碼格式 [例如循環(huán)冗余校驗(yàn) (CRC) 差錯(cuò)檢測(cè)和鏈接確認(rèn)協(xié)議] 可確保數(shù)據(jù)完整性，這樣系統(tǒng)管理電路就可確信，它接收的數(shù)據(jù)就是所發(fā)送的數(shù)據(jù)。

采用了這些原理的 BMS 實(shí)例之一是由 Nuvation Engineering (加拿大安大略省滑鐵盧和美國(guó)加利福尼亞州桑尼維爾) 開(kāi)發(fā)的可擴(kuò)展和可定制電池管理系統(tǒng)。憑借以可靠性和堅(jiān)固性作為關(guān)鍵指標(biāo)的電網(wǎng)電能存儲(chǔ)系統(tǒng)和電源后備設(shè)備領(lǐng)域?qū)覍亿A得設(shè)計(jì)案，Nuvation BMS 設(shè)計(jì)正在逐步地證明自己的實(shí)力。這種現(xiàn)成有售的 BMS 之主要優(yōu)勢(shì)是其具有三個(gè)子系統(tǒng)的分層分級(jí)拓?fù)?(參見(jiàn)圖 2)，這三個(gè)子系統(tǒng)各具獨(dú)特的功能，如圖 3 所示。

圖 2：Nuvation Engineering 公司的電池管理系統(tǒng)是 AC 電網(wǎng)和電池陣列之間的接口，該系統(tǒng)以先進(jìn)的方式監(jiān)督電池充電 / 放電，并提供 DC/AC 逆變器功能。

圖 3：Nuvation BMS 的 3 大子系統(tǒng)：電池接口、電池組控制器、電源接口。該 BMS 由模塊化、分級(jí)設(shè)計(jì)組成，可對(duì)多種功率級(jí)系統(tǒng)提供可擴(kuò)展性、堅(jiān)固性和可靠性。

圖 3：Nuvation BMS 的 3 大子系統(tǒng)：電池接口、電池組控制器、電源接口。該 BMS 由模塊化、分級(jí)設(shè)計(jì)組成，可對(duì)多種功率級(jí)系統(tǒng)提供可擴(kuò)展性、堅(jiān)固性和可靠性。

1.電池接口對(duì)電池組中的每節(jié)電池提供嚴(yán)格管理和監(jiān)視;視電池組的數(shù)量不同而不同，系統(tǒng)根據(jù)需要采用盡可能多的電池接口。隨著電池?cái)?shù)量增加以及由此而來(lái)的電池組電壓提高，這些接口可以按菊花鏈方式連接以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)擴(kuò)展。

2.所有電池接口都連接到一個(gè)電池組控制器，該控制器監(jiān)視和管理多個(gè)電池接口單元。如果需要，多個(gè)電池組控制器可以連接到一起，以支持由很多電池組并聯(lián)組成的大型電池包。

3.電源接口將電池組控制器連接到高壓 / 大電流線路，是到逆變器 / 充電器的接口。電源接口從物理上和電氣上使高壓和大電流組件與其他模塊隔離。該接口還直接從電池組給 BMS 供電，因此 BMS 的運(yùn)行無(wú)需任何外部電源。

Nuvation BMS 的模塊化和分級(jí)架構(gòu)支持高達(dá) 1250Vdc 的電池包電壓，所采用的電池接口模塊每個(gè)支持多達(dá) 16 節(jié)電池，允許多達(dá) 48 個(gè)電池接口模塊疊置，支持包含多個(gè)并聯(lián)電池組的電池包。從用戶的角度來(lái)看，整個(gè)組裝陣列是作為單一單元管理的。

堅(jiān)固的設(shè)計(jì)是自下而上建立的

模塊化架構(gòu)、分級(jí)拓?fù)浜妥⒅販p少差錯(cuò)的設(shè)計(jì)對(duì) Nuvation BMS 實(shí)現(xiàn)完整性和可擴(kuò)展性而言是必不可少的，但是這還不夠。成功實(shí)現(xiàn) Nuvation BMS 還需要以高性能基本功能構(gòu)件作為物理基礎(chǔ)。

這就是為什么凌力爾特公司的多節(jié)電池監(jiān)視器 IC LTC6804 (參見(jiàn)圖 4) 在 Nuvation BMS 解決方案中發(fā)揮關(guān)鍵作用的原因。LTC6804 專為滿足 BMS 系統(tǒng)及多節(jié)電池設(shè)計(jì)的需求而定制，起點(diǎn)是針對(duì)多達(dá) 12 節(jié)串聯(lián)疊置的電池提供精確的測(cè)量值。該器件的測(cè)量輸入不是以地為基準(zhǔn)的，這極大地簡(jiǎn)化了對(duì)電池的測(cè)量，而且 LTC6804 本身是可疊置的，以用于較高電壓的陣列 (該器件還支持各種電池化學(xué)組成)。LTC6804 以 16 位分辨率提供 0.033% 的最大誤差，僅需要 290μs 就可測(cè)完所有 12 節(jié)電池。要產(chǎn)生有意義的電源參數(shù)分析結(jié)果，這樣的同步電壓和電流測(cè)量是至關(guān)重要的。

圖 4：凌力爾特公司的 LTC6804 多節(jié)電池監(jiān)視器 IC 針對(duì)疊置電池提供準(zhǔn)確的測(cè)量值，是成功實(shí)現(xiàn) BMS 的起點(diǎn)。

當(dāng)然，在實(shí)驗(yàn)臺(tái)上原型機(jī)所處無(wú)害環(huán)境中實(shí)現(xiàn)的性能與 BMS 設(shè)置在不利的真實(shí)電氣及自然環(huán)境中可實(shí)現(xiàn)的性能是不同的。LTC6804 的模數(shù)轉(zhuǎn)換器 (ADC) 架構(gòu)設(shè)計(jì)采用專門針對(duì)電源逆變器噪聲而設(shè)計(jì)的濾波器，可抵御這些有害影響，并使影響最小化。

數(shù)據(jù)接口采用隔離式單條雙絞線 SPI 接口，支持高達(dá) 1Mb 的傳輸速率和長(zhǎng)達(dá) 100 米的傳輸距離。為了進(jìn)一步提高系統(tǒng)完整性，該 IC 包括一系列持續(xù)進(jìn)行的子系統(tǒng)測(cè)試功能。作為進(jìn)一步表明其可靠性和堅(jiān)固性的標(biāo)志，LTC6804 滿足保證汽車質(zhì)量的嚴(yán)格 AEC-Q100 標(biāo)準(zhǔn)要求。這款 IC 由于專用設(shè)計(jì)而取得了出色成果，其設(shè)計(jì)密切關(guān)注 BMS 問(wèn)題和環(huán)境，包括獨(dú)特的系統(tǒng)級(jí)應(yīng)用目標(biāo)以及很多挑戰(zhàn)。

解決了 3 大問(wèn)題

LTC6804 解決了影響系統(tǒng)性能的 3 大問(wèn)題：轉(zhuǎn)換準(zhǔn)確度、電池容量平衡和連通性 / 數(shù)據(jù)完整性：

1)轉(zhuǎn)換準(zhǔn)確度：考慮到 BMS 應(yīng)用的短期和長(zhǎng)期準(zhǔn)確度要求，該器件采用了掩埋齊納轉(zhuǎn)換基準(zhǔn)，而不是帶隙基準(zhǔn)。這提供了一個(gè)穩(wěn)定、低漂移 (20ppm/√kHr)、低溫度系數(shù) (3ppm/°C)、低遲滯 (20ppm) 的主電壓基準(zhǔn)以及卓越的長(zhǎng)期穩(wěn)定性。這種準(zhǔn)確度和穩(wěn)定性至關(guān)重要，因?yàn)檫@是所有后續(xù)電池測(cè)量的基礎(chǔ)，而且這些誤差對(duì)所采集數(shù)據(jù)的可信度、算法一致性及系統(tǒng)性能都有累積影響。

盡管高準(zhǔn)確度基準(zhǔn)是確保上佳性能的必要部件，但僅靠這個(gè)是不夠的。A/D 轉(zhuǎn)換器架構(gòu)及其運(yùn)作必須在電噪聲環(huán)境中符合規(guī)范的要求，此類噪聲環(huán)境是系統(tǒng)的大電流 / 高電壓逆變器的脈寬調(diào)制 (PWM) 瞬變的結(jié)果。另外，電荷狀態(tài) (SOC) 和電池健康狀況的準(zhǔn)確評(píng)估還需要相互關(guān)聯(lián)的電壓、電流和溫度測(cè)量。

為了減低系統(tǒng)噪聲以避免其影響 BMS 性能，LTC6804 轉(zhuǎn)換器采用了一種增量-累加 (ΔΣ) 拓?fù)?，輔之以 6 種用戶可選的濾波器選項(xiàng)以應(yīng)對(duì)噪聲環(huán)境。該 ΔΣ 方法由于其具有每次轉(zhuǎn)換采用多個(gè)樣本的性質(zhì)和一種取平均的濾波功能，因而減輕了電磁干擾 (EMI) 和其他瞬態(tài)噪聲的影響。[!--empirenews.page--]

2)電池容量平衡：大型電池包一般由多組電池或電池模塊組成，在任何使用這類電池包的系統(tǒng)中，電池容量平衡都是不可避免的要求。盡管大多數(shù)鋰電池在首次到達(dá)用戶手中時(shí)已經(jīng)進(jìn)行了良好的容量匹配，但是隨著老化，鋰電池會(huì)損失容量。由于導(dǎo)致老化過(guò)程不同的因素有多種 (例如電池組的溫度變化率不同)，各節(jié)電池的老化過(guò)程可能各不相同。使整個(gè)老化過(guò)程加劇的是，如果允許電池工作范圍超出其 SOC 限制，那么這節(jié)電池就會(huì)提前老化，并會(huì)額外損失容量。這些容量方面的差異，加之自放電和負(fù)載電流方面的小差異，會(huì)導(dǎo)致電池容量失衡。

為了解決電池容量失衡問(wèn)題，LTC6804 直接地支持被動(dòng)平衡 (用一個(gè)用戶可設(shè)置的定時(shí)器)。被動(dòng)平衡是一種簡(jiǎn)便的低成本方法，可在電池充電周期歸一化所有電池的 SOC。通過(guò)從容量較低的電池中移走電荷，被動(dòng)平衡確保這些容量較低的電池不會(huì)過(guò)度充電。LTC6804 還可用來(lái)控制主動(dòng)平衡，這是一種更加復(fù)雜的平衡方法，在充電或放電周期中在電池之間傳送電荷。

無(wú)論采用主動(dòng)平衡還是被動(dòng)平衡，電池容量平衡效果都取決于測(cè)量準(zhǔn)確度是否足夠高。隨著測(cè)量誤差增大，系統(tǒng)建立的工作保護(hù)帶也必須隨之增大，因此，容量平衡性能的實(shí)效就會(huì)受到限制。此外，隨著 SOC 范圍受到進(jìn)一步限制，對(duì)這些誤差的靈敏度也會(huì)提高。LTC6804 的總體測(cè)量誤差低于 1.2mV，完全處于系統(tǒng)級(jí)要求范圍之內(nèi)。

3)連通性 / 數(shù)據(jù)完整性考慮：電池組設(shè)計(jì)中的模塊化增強(qiáng)了可擴(kuò)展性、可維修性和外形的靈活性。然而，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)電阻通路)，這樣，任何一個(gè)電池組中的故障就不會(huì)影響系統(tǒng)的其余部分或在總線上施加高電壓。此外，電池組之間的配線必須要能耐受很高的 EMI。

兩線式隔離數(shù)據(jù)總線是一種能以緊湊和具成本效益的方式實(shí)現(xiàn)上述目標(biāo)的可行解決方案。因此，LTC6804 提供了被稱為 isoSPI 的隔離式 SPI 互連，其負(fù)責(zé)把用于時(shí)鐘、數(shù)據(jù)輸入、數(shù)據(jù)輸出和芯片選擇的信號(hào)編碼為差分脈沖，然后通過(guò)一個(gè)變壓器把這些差分脈沖耦合至一個(gè)堅(jiān)固、可靠和確定已久的隔離組件 (參見(jiàn)圖 5)。

圖 5：LTC6804 支持隔離式 SPI 接口，該接口可以“菊花鏈”方式連接，以組成較大的陣列，從而實(shí)現(xiàn)堅(jiān)固、抗 EMI 的互連，同時(shí)還能夠最大限度減少布線需求和隔離器數(shù)量。

該總線上的器件可以通過(guò) “菊花鏈” 方式連接，這種連接方式可極大地減小線束尺寸，并實(shí)現(xiàn)大型、高壓電池包的模塊化設(shè)計(jì)，同時(shí)保持很高的數(shù)據(jù)傳輸速率和很低的 EMI 敏感性 (參見(jiàn)圖 6)。

圖 6：對(duì) LTC6804 和 isoSPI 接口的測(cè)試結(jié)果表明，在 isoSPI 以 20mA 信號(hào)強(qiáng)度工作時(shí)，盡管注入了 200mA RF，但是仍然沒(méi)產(chǎn)生數(shù)據(jù)誤差。

為了展示抗噪聲性能，凌力爾特對(duì) LTC6804 進(jìn)行了 BCI 測(cè)試。測(cè)試時(shí)使用 1MHz 至 400MHz RF 載波，且在載波上有 1kHz AM 調(diào)制，通過(guò)該載波將 100mA RF 能量耦合到連接電池的線束中。LTC6804 數(shù)字濾波器的截止頻率設(shè)定為 1.7kHz，另外還增加了外部 RC 濾波器和鐵氧扼流圈。測(cè)試結(jié)果為，在整個(gè) RF 頻率范圍內(nèi)，電壓讀數(shù)誤差低于 2mV。

LTC6804 提供一系列自評(píng)估和自測(cè)試功能，這使該器件更加適合 BMS 應(yīng)用了。這些評(píng)估和測(cè)試功能包括斷線檢測(cè)、第二個(gè)內(nèi)部 ADC 時(shí)鐘基準(zhǔn)、多工器自測(cè)試甚至內(nèi)部電源電壓測(cè)量。該器件為準(zhǔn)備與 ISO 26262 和 IEC 61508 標(biāo)準(zhǔn)兼容的系統(tǒng)而設(shè)計(jì)。

結(jié)論

面向電網(wǎng)供電系統(tǒng)的備份和連續(xù)供電電源有很大的 “魅力”。這類電源似乎非常簡(jiǎn)單明了：給一個(gè)電池陣列充電 (無(wú)論是用電網(wǎng)的 AC 電力線還是太陽(yáng)能、風(fēng)能或其他可再生能源)，然后在需要時(shí)，用這些電池和 DC/AC 逆變器提供相當(dāng)于電力線供電的 AC 電源。

現(xiàn)實(shí)情況是，這些電池的任何工作方式或性能特點(diǎn)都不“簡(jiǎn)單”，需要仔細(xì)控制對(duì)它們的充電，仔細(xì)控制對(duì)其電壓、電流和溫度的監(jiān)視，以及仔細(xì)控制其放電。隨著功率的提高，實(shí)用、高效和安全的系統(tǒng)設(shè)計(jì)絕不是微不足道的，因此連接電網(wǎng)的多節(jié)電池 BMS 也是非常復(fù)雜的系統(tǒng)。需要理解和解決很多獨(dú)特問(wèn)題，其中系統(tǒng)安全是主要問(wèn)題。

成功和可行的系統(tǒng)設(shè)計(jì)需要一種由優(yōu)化組件 (例如：LTC6804) 自下而上地提供支持模塊化、結(jié)構(gòu)化、自頂向下的架構(gòu)。當(dāng)與精細(xì)、安全的數(shù)據(jù)采集和控制軟件相組合時(shí)，可造就高性能的可靠 BMS，此類 BMS 幾乎不需要操作人員的干預(yù)，并將以自主的方式運(yùn)行，從而提供為期多年的可靠服務(wù)。[!--empirenews.page--]