鉅大LARGE | 點擊量：710次 | 2021年12月25日
最大限度提高電池電量監(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持續(xù)供電的能量存儲系統(tǒng)，這種用法正在得到越來越多的關(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。這類系統(tǒng)中的電池由電網(wǎng)或其他能源持續(xù)充電，然后通過DC/AC逆變器向用戶供應(yīng)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)百瓦功率的臺式pC短時間備份電源系統(tǒng)，船舶、混合動力汽車或全電動型汽車使用的數(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)級數(shù)百千瓦備份電源系統(tǒng)(參見圖1)…等等。盡管電池化學(xué)組成和電池技術(shù)領(lǐng)域的進步引起了很大的關(guān)注，但是關(guān)于一個可行和基于電池的備份系統(tǒng)而言，還有一個同樣關(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功率的固定及移動應(yīng)用，可為多種應(yīng)用可靠和有效地供電。
為能量存儲應(yīng)用實現(xiàn)電池管理系統(tǒng)時有很多挑戰(zhàn)，其解決方法絕不是從小型、較低容量電池包的管理系統(tǒng)簡單“擴展”而成。相反，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)的起點是，要求很多關(guān)鍵電池參數(shù)的測量值具備高準(zhǔn)確度和可信度。此外，子系統(tǒng)的設(shè)計必須是模塊化的，以能夠按照應(yīng)用的特定需求對配置進行定制，還要考慮可能的擴展要求、整體管理問題以及必要的維護。
符合Exic IIB T4 Gc防爆標(biāo)準(zhǔn)
充電溫度：0~45℃
-放電溫度：-40~+55℃
-40℃最大放電倍率：1C
-40℃ 0.5放電容量保持率≥70%
較大型存儲陣列的工作環(huán)境還帶來了其他重大挑戰(zhàn)。在逆變器電壓很高/電流很大并因此而出現(xiàn)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)境中供應(yīng)精確、一致的數(shù)據(jù)。此外，BMS還必須針對內(nèi)部模塊和系統(tǒng)溫度測量值供應(yīng)廣泛的“精細”數(shù)據(jù)，而不是有限的幾項粗略的總計數(shù)據(jù)，因為這些數(shù)據(jù)關(guān)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)的重要用途，因此它們的工作可靠性具有與生俱來的關(guān)鍵性。要把上面這個很容易表述的目標(biāo)變成現(xiàn)實，BMS必須確保數(shù)據(jù)準(zhǔn)確度和完整性以及持續(xù)的健康評估，這樣BMS才能持續(xù)采取所需行動。實現(xiàn)堅固的設(shè)計和可靠的安全性是一個多級過程，BMS必須針對所有子系統(tǒng)預(yù)期可能出現(xiàn)的問題、執(zhí)行自測試并供應(yīng)故障檢測，然后在備用模式和工作模式采用恰當(dāng)?shù)男袆印Ｗ詈笠粋€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)計將概念轉(zhuǎn)變成真實世界的成果
盡管監(jiān)視可再充電電池從概念上看很簡單，只需將電壓和電流測量電路放在電池端子處即可，但現(xiàn)實中的BMS卻很不相同，要復(fù)雜得多。
堅固的設(shè)計始于對各節(jié)電池的全面監(jiān)視，這對模擬電路功能提出了一些重要要求。電池讀數(shù)要達到毫伏和毫安級準(zhǔn)確度，電壓和電流測量值必須是時間同步以計算功率。BMS必須評估每次測量的有效性，因為它要最大限度提高數(shù)據(jù)完整性，同時BMS還必須識別錯誤或有問題的讀數(shù)。BMS不能忽視不尋常的讀數(shù)，因為這種讀數(shù)也許表明有潛在問題，但同時，BMS又不能根據(jù)有錯誤的數(shù)據(jù)采取行動。
模塊化BMS架構(gòu)提高了堅固性、可擴展性和可靠性。數(shù)據(jù)鏈路各部分之間要隔離，以最大限度降低電氣噪聲的影響，并提高安全性，而模塊化為實現(xiàn)隔離供應(yīng)了方便。此外，先進的數(shù)據(jù)編碼格式[例如循環(huán)冗余校驗(CRC)差錯檢測和鏈接確認協(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實例之一是由NuvationEngineering(加拿大安大略省和美國加利福尼亞州桑尼維爾)開發(fā)的可擴展和可定制電池管理系統(tǒng)。憑借以可靠性和堅固性作為關(guān)鍵指標(biāo)的電網(wǎng)電能存儲系統(tǒng)和電源后備設(shè)備領(lǐng)域?qū)覍亿A得設(shè)計案，NuvationBMS設(shè)計正在逐步地證明自己的實力。這種現(xiàn)成有售的BMS之重要優(yōu)勢是其具有三個子系統(tǒng)的分層分級拓撲(參見圖2)，這三個子系統(tǒng)各具獨特的功能，如圖3所示。
圖2：NuvationEngineering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)以先進的方式監(jiān)督電池充電/放電，并供應(yīng)DC/AC逆變器功能。
圖3：NuvationBMS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、分級設(shè)計組成，可對多種功率級系統(tǒng)供應(yīng)可擴展性、堅固性和可靠性。
圖3：NuvationBMS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、分級設(shè)計組成，可對多種功率級系統(tǒng)供應(yīng)可擴展性、堅固性和可靠性。
1.電池接口對電池組中的每節(jié)電池供應(yīng)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)要采用盡可能多的電池接口。隨著電池數(shù)量新增以及由此而來的電池組電壓提高，這些接口可以按菊花鏈方式連接以實現(xiàn)系統(tǒng)擴展。
2.所有電池接口都連接到一個電池組控制器，該控制器監(jiān)視和管理多個電池接口單元。假如要，多個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的運行無需任何外部電源。
NuvationBMS的模塊化和分級架構(gòu)支持高達1250Vdc的電池包電壓，所采用的電池接口模塊每個支持多達16節(jié)電池，允許多達48個電池接口模塊疊置，支持包含多個并聯(lián)電池組的電池包。從用戶的角度來看，整個組裝陣列是作為單一單元管理的。
堅固的設(shè)計是自下而上建立的
模塊化架構(gòu)、分級拓撲和重視減少差錯的設(shè)計對NuvationBMS實現(xiàn)完整性和可擴展性而言是必不可少的，但是這還不夠。成功實現(xiàn)NuvationBMS還要以高性能基本功能構(gòu)件作為物理基礎(chǔ)。
這就是為何凌力爾特公司的多節(jié)電池監(jiān)視器ICLTC6804(參見圖4)在NuvationBMS解決方法中發(fā)揮關(guān)鍵用途的原因。LTC6804專為滿足BMS系統(tǒng)及多節(jié)電池設(shè)計的需求而定制，起點是針對多達12節(jié)串聯(lián)疊置的電池供應(yīng)精確的測量值。該器件的測量輸入不是以地為基準(zhǔn)的，這極大地簡化了對電池的測量，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位分辨率供應(yīng)0.033%的最大誤差，僅要290μs就可測完所有12節(jié)電池。要出現(xiàn)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針對疊置電池供應(yīng)準(zhǔn)確的測量值，是成功實現(xiàn)BMS的起點。
當(dāng)然，在實驗臺上原型機所處無害環(huán)境中實現(xiàn)的性能與BMS設(shè)置在不利的真實電氣及自然環(huán)境中可實現(xiàn)的性能是不同的。LTC6804的模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)架構(gòu)設(shè)計采用專門針對電源逆變器噪聲而設(shè)計的濾波器，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1Mb的傳輸速率和長達100米的傳輸距離。為了進一步提高系統(tǒng)完整性，該IC包括一系列持續(xù)進行的子系統(tǒng)測試功能。作為進一步表明其可靠性和堅固性的標(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I(lǐng)C由于專用設(shè)計而取得了出色成果，其設(shè)計密切關(guān)注BMS問題和環(huán)境，包括獨特的系統(tǒng)級應(yīng)用目標(biāo)以及很多挑戰(zhàn)。
解決了3大問題
LTC6804解決了影響系統(tǒng)性能的3大問題：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)用的短時間和長期準(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)。這供應(yīng)了一個穩(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)以及卓越的長期穩(wěn)定性。這種準(zhǔn)確度和穩(wěn)定性至關(guān)重要，因為這是所有后續(xù)電池測量的基礎(chǔ)，而且這些誤差對所采集數(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，但僅靠這個是不夠的。A/D轉(zhuǎn)換器架構(gòu)及其運作必須在電噪聲環(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)確評估還要相互關(guān)聯(lián)的電壓、電流和溫度測量。
為了減低系統(tǒng)噪聲以防止其影響B(tài)MS性能，LTC6804轉(zhuǎn)換器采用了一種增量-累加(ΔΣ)拓撲，輔之以6種用戶可選的濾波器選項以應(yīng)對噪聲環(huán)境。該ΔΣ方法由于其具有每次轉(zhuǎn)換采用多個樣本的性質(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。
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防止的要求。盡管大多數(shù)鋰離子電池在首次到達用戶手中時已經(jīng)進行了良好的容量匹配，但是隨著老化，鋰離子電池會損失容量。由于導(dǎo)致老化過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)電池的老化過程可能各不相同。使整個老化過程加劇的是，假如允許電池工作范圍超出其SOC限制，那么這節(jié)電池就會提前老化，并會額外損失容量。這些容量方面的差異，加之自放電和負載電流方面的小差異，會導(dǎo)致電池容量失衡。
為了解決電池容量失衡問題，LTC6804直接地支持被動平衡(用一個用戶可設(shè)置的按時器)。被動平衡是一種簡便的低成本方法，可在電池充電周期歸一化所有電池的SOC。通過從容量較低的電池中移走電荷，被動平衡確保這些容量較低的電池不會過度充電。LTC6804還可用來控制主動平衡，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。
無論采用主動平衡還是被動平衡，電池容量平衡效果都取決于測量準(zhǔn)確度是否足夠高。隨著測量誤差增大，系統(tǒng)建立的工作保護帶也必須隨之增大，因此，容量平衡性能的實效就會受到限制。此外，隨著SOC范圍受到進一步限制，對這些誤差的靈敏度也會提高。LTC6804的總體測量誤差低于1.2mV，完全處于系統(tǒng)級要求范圍之內(nèi)。
3)連通性/數(shù)據(jù)完整性考慮：電池組設(shè)計中的模塊化增強了可擴展性、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(無電阻通路)，這樣，任何一個電池組中的故障就不會影響系統(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現(xiàn)上述目標(biāo)的可行解決方法。因此，LTC6804供應(yīng)了被稱為isoSpI的隔離式SpI互連，其負責(zé)把用于時鐘、數(shù)據(jù)輸入、數(shù)據(jù)輸出和芯片選擇的信號編碼為差分脈沖，然后通過一個變壓器把這些差分脈沖耦合至一個堅固、可靠和確定已久的隔離組件(參見圖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，從而實現(xiàn)堅固、抗EMI的互連，同時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“菊花鏈”方式連接，這種連接方式可極大地減小線束尺寸，并實現(xiàn)大型、高壓電池包的模塊化設(shè)計，同時保持很高的數(shù)據(jù)傳輸速率和很低的EMI敏感性(參見圖6)。
圖6：對LTC6804和isoSpI接口的測試結(jié)果表明，在isoSpI以20mA信號強度工作時，盡管注入了200mARF，但是仍然沒出現(xiàn)數(shù)據(jù)誤差。
為了展示抗噪聲性能，凌力爾特對LTC6804進行了BCI測試。測試時使用1MHz至400MHzRF載波，且在載波上有1kHzAM調(diào)制，通過該載波將100mARF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，另外還新增了外部RC濾波器和鐵氧扼流圈。測試結(jié)果為，在整個RF頻率范圍內(nèi)，電壓讀數(shù)誤差低于2mV。
LTC6804供應(yīng)一系列自評估和自測試功能，這使該器件更加適合BMS應(yīng)用了。這些評估和測試功能包括斷線檢測、第二個內(nèi)部ADC時鐘基準(zhǔn)、多工器自測試甚至內(nèi)部電源電壓測量。該器件為準(zhǔn)備與ISO26262和IEC61508標(biāo)準(zhǔn)兼容的系統(tǒng)而設(shè)計。
結(jié)論
面向電網(wǎng)供電系統(tǒng)的備份和持續(xù)供電電源有很大的“魅力”。這類電源似乎非常簡單明了：給一個電池陣列充電(無論是用電網(wǎng)的AC電力線還是太陽能、風(fēng)能或其他可再生能源)，然后在要時，用這些電池和DC/AC逆變器供應(yīng)相當(dāng)于電力線供電的AC電源。
現(xiàn)實情況是，這些電池的任何工作方式或性能特點都不“簡單”，要仔細控制對它們的充電，仔細控制對其電壓、電流和溫度的監(jiān)視，以及仔細控制其放電。隨著功率的提高，實用、高效和安全的系統(tǒng)設(shè)計絕不是微不足道的，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)。要理解和解決很多獨特問題，其中系統(tǒng)安全是重要問題。
成功和可行的系統(tǒng)設(shè)計要一種由優(yōu)化組件(例如：LTC6804)自下而上地供應(yīng)支持模塊化、結(jié)構(gòu)化、自頂向下的架構(gòu)。當(dāng)與精細、安全的數(shù)據(jù)采集和控制軟件相組合時，可造就高性能的可靠BMS，此類BMS幾乎不要操作人員的干預(yù)，并將以自主的方式運行，從而供應(yīng)為期多年的可靠服務(wù)。
