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【導讀】使用大規模電池陣列作為備用和便攜儲能裝置正受到越來越多的關注，特斯拉汽車公司近期針對家庭和辦公應用推出的Powerwall系統就是明證。在這些系統中，電池不斷通過供電電網或其他電源充電，然后在用戶需要時通過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，許多系統都提供從基本的120/240Vac和數百瓦（用于臺式電腦短期備用），到數千瓦備用電源（用于船舶、混合動力車或純電動汽車等特種車輛），用于電網規模電信和數據中心的備用電源則高達數百千瓦（見圖1）。然而，盡管大家普遍關注電池化學技術方面的進步，但就切實可行的電池安裝方案而言，電池管理系統(BMS)部分也同樣重要。
圖1.基于電池的備用電源非常適合數千瓦至數百千瓦的固定和移動應用，并且可以在各種應用中提供可靠有效的電源
在實施儲能電池管理系統時存在許多挑戰，其解決方案不能簡單地從小規模、低容量的電池組進行擴展，而是需要新的、更復雜的戰略和關鍵支持組件。
第一個挑戰是許多重要電池電芯參數的測量需要高精度和可信度。此外，其子系統必須采用模塊化設計，允許根據應用的具體需求定制配置，并考慮可能進行的擴展、整體管理問題和必要的維護。
大型存儲陣列的工作環境也帶來了其他重大挑戰。盡管存在高電壓/電流逆變器和隨之產生的電流峰值，BMS仍然必須在噪聲很大的高溫電氣環境中提供精確、一致的數據。此外，它還必須提供關于內部模塊的大量精確數據和系統溫度測量，這對于充電、監控和放電至關重要，而不僅僅是提供一些粗略的匯總值。
由于這些電力系統承擔著基本工作任務，因此其運行可靠性至關重要。為了實現這些目標，BMS必須確保數據的準確性和完整性，同時不斷進行狀態評估，以便能夠持續采取必要的措施。實現可靠的設計和安全性是一個多級過程，BMS必須預測問題，執行自測，并對所有子系統進行故障檢測，然后在待機和操作模式下執行適當的操作。最后，由于高電壓、高電流和高功率電平，BMS必須滿足許多嚴格的監管標準。
通過系統設計將概念轉化為實際方案
盡管監控可充電電池的概念很簡單（只需在電池兩端設置電壓和電流測量電路），但BMS的實際情況完全不同，而且要復雜得多。
可靠的設計首先要全面監控單個電池電芯，這就對模擬功能有很高的要求。電芯讀數需要精確到毫伏和毫安，電壓和電流測量必須時間同步以計算功率。BMS還必須評估每個測量值的有效性，需要較大限度地提高數據完整性，同時必須識別錯誤或可疑讀數。它不能忽略可能表明潛在問題的異常讀數，但同時也不能基于錯誤的數據采取行動。
模塊化BMS架構可提高穩健性、可擴展性和可靠性。模塊化還有助于根據需要在數據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（循環冗余校驗）誤差檢測和鏈路確認協議的先進數據編碼格式可確保數據完整性，以便系統管理功能確信其接收的數據就是發送的數據。
例如，Nuvation Engineering公司（加利福尼亞州滑鐵盧、安大略和森尼韋爾）開發的可擴展、可自定義電池管理系統就采用了上述原則。實踐證明，Nuvation BMS中的電網儲能系統和備用電源設備設計非常成功，其中可靠性和堅固性至關重要。這個現成BMS的核心優勢在于其包含三個子系統的分層分級拓撲（圖2），每個子系統都具有獨特的功能，如圖3所示。
圖2.Nuvation Engineering電池管理系統是交流電網和電池電芯陣列之間的接口；它提供先進的電池充電/放電監控以及DC/AC逆變器功能
圖3.Nuvation BMS的三個主要子系統（電池電芯接口、電池堆棧控制器、電源接口）采用模塊化分層設計，可在各種功率電平下實現可擴展性、穩健性和可靠性
1. 電芯接口嚴格管理和監控電池堆棧中的每個電池電芯；系統根據需要使用盡可能多的電芯接口，具體取決于電池堆棧的數量。這些接口可根據電芯數量以菊花鏈形式連接，從而使堆棧電壓增加。
2. 電芯接口連接到單個堆棧控制器，該控制器監控和管理多個電芯接口單元。如果需要，可以將多個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。
3. 電源接口將堆棧控制器連接到高電壓/電流線，同時也是連接到逆變器/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現物理和電氣隔離。它還直接從電池堆棧為BMS供電，使BMS無需任何外部電源即可運行。
Nuvation BMS的模塊化分層架構支持高達1250Vdc的電池組電壓，使用電芯接口模塊，每個模塊都包含多達16節電芯、具有多達48個電芯接口模塊的電池堆棧，以及包含多個并行堆棧的電池組。從用戶的角度來看，整個陣列組件作為單個單元管理。
自下而上構建可靠的設計
模塊化架構、分層拓撲和錯誤感知設計等因素對于Nuvation BMS的完整性和可擴展性是不可或缺的，但這些還不夠。成功的實施需要高性能功能模塊作為物理基礎。
這就是LTC6804多電芯電池監控器IC（圖4）在Nuvation BMS實施中起關鍵作用的原因。它專為滿足BMS系統和多電芯設計需求而定制，可對多達12個串聯堆疊的電池電芯進行精確測量。其測量輸入不以接地作為參考，這大大地簡化了這些單元的測量，而LTC6804本身可進行堆疊與高電壓陣列一起使用（它還支持各種電芯化學特性）。它提供最大0.033%誤差和16位分辨率，只需要290μs即可測量電池堆棧中的所有12個電芯。這種同步電壓和電流測量對于產生有意義的功率參數分析至關重要。
圖4.LTC6804多電芯電池監控器IC可對堆疊的電池電芯進行精準測量，這是成功實施BMS的起點
當然，良好的工作臺原型機制作環境與在電氣和環境條件不利的真實BMS設置相比，兩者的實際可實現性能是不一樣的。LTC6804的模擬/數字轉換器(ADC)架構旨在使用專門針對功率逆變器噪聲而設計的濾波器抑制并盡量減少這些不利影響。
數據接口使用單條雙絞線、隔離SPI接口，支持高達1Mb的速率和長達100米的距離。為了進一步增強系統完整性，該IC還進行了一系列子系統測試。LTC6804滿足嚴格的AEC-Q100汽車質量標準，進一步證明了其可靠性和堅固性。這款IC能取得這樣的成效，是因為其設計密切關注BMS問題和環境，包括應用的獨特系統級目標及其諸多挑戰。
解決的三大問題
LTC6804主要解決了影響系統性能、轉換精度、電池均衡以及連接性/數據完整性考慮因素的三個方面：
轉換精度
BMS應用具備短期和長期精度需求，因此使用了掩埋式齊納轉換基準電壓源而非帶隙基準電壓源。這能夠提供穩定的低漂移 (20ppm/√kHr)、低溫度系數(3ppm/°C)、低滯回(20ppm)原邊電壓基準源以及出色的長期穩定性。這種精度和穩定性至關重要，它是所有后續電池電芯測量的基礎，這些錯誤對所獲數據的可信度、算法一致性和系統性能會產生累積影響。
雖然高精度基準電壓源是確保卓越性能的必要功能，但光憑該功能還不夠。模數轉換器架構及其操作必須符合電噪聲環境要求，這是系統大電流/電壓逆變器的脈寬調制(PWM)瞬態特性的結果。準確評估電池的荷電狀態(SOC)和健康狀態還需要相關的電壓、電流和溫度測量。
為了在影響BMS性能之前減輕系統噪聲，LTC6804轉換器使用了一個Σ-Δ拓撲結構，并在六個由用戶選擇的濾波器選項輔助下處理噪聲環境。通過每次轉換使用多次采樣的本質特性，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中，都不可避免地需要實現電池均衡。雖然大多數鋰電池電芯在首次獲取時匹配良好，但會隨著老化損失容量。不同電池電芯的老化過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SOC上限工作的電池電芯將過早老化，并損失額外容量。這些容量差異以及自放電和負載電流的小差異都會導致電池不平衡。
為了解決電池不平衡問題，LTC6804直接支持被動式均衡（使用用戶可設置的計時器）。被動式均衡是在電池充電周期內標準化所有電芯的SOC的簡單、低成本方法。通過從較低容量的電芯中移除電荷，被動式均衡可確保這些較低容量的電芯不會過度充電。LTC6804也可用于控制主動均衡，這是一種更復雜的均衡技術，通過充電或放電循環在電芯之間傳輸電荷。
無論是使用主動方法還是被動方法，電池均衡都依賴于高測量精度。隨著測量誤差越來越大，系統所建立的操作保護等級也必須增加，因此均衡性能的有效性將受到限制。此外，由于SOC范圍進一步受到限制，對這些誤差的靈敏度也增加了。LTC6804的總測量誤差小于1.2mV，完全符合系統級要求。
連接性/數據完整性考慮因素
電池組設計的模塊化增加了可擴展性、服務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據總線提供電氣隔離（無電阻路徑），因此任何一個電池組出現故障都不會影響系統的其他部分或對總線施加高電壓。此外，電池組之間的布線必須能夠承受高水平的電磁干擾。
隔離式雙絞線的數據總線是一種能夠以緊湊且經濟高效的方式實現這些目標的可行解決方案。因此，LTC6804提供一種稱為iso-SPI的隔離式SPI互聯，可將時鐘、數據輸入、數據輸出和芯片選擇信號編碼為差分脈沖，然后通過堅固耐用、成熟可靠的隔離元件變壓器進行耦合（圖5）。
圖5.LTC6804支持隔離式SPI接口，可通過菊花鏈方式連接構成更大的陣列，從而實現可靠的抗電磁干擾互聯，盡量降低布線要求，減少隔離器數量
總線上的器件可采用菊花鏈配置進行連接，這大大縮小了線束的尺寸，可實現大型高電壓電池組模塊化設計，同時保持高數據速率和低EMI敏感度（圖6）。
圖6.LTC6804和isoSPI接口上的測試結果顯示，輸入射頻為200mA，isoSPI在20mA信號強度下運行時沒有出現數據錯誤
為了驗證抗擾度，還對LTC6804進行了BCI測試。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，并對載波進行1kHz調幅調制。LTC6804數字濾波器的截止頻率設定為1.7kHz，并添加了外部RC濾波器和鐵氧體扼流圈。結果：在整個射頻掃頻范圍內，電壓讀數誤差低于2mV。
此外，還提供了一系列自我評估和自測功能，以增加LTC6804對BMS應用的適用性。這些檢測包括開路檢測；ADC時鐘的第二個內部基準源；多路復用器自測，甚至還有其內部電源電壓的測量。該器件專為符合ISO 26262和IEC 61508標準的系統而設計。
結論
用于電網級系統的備用電源和便攜電源極具吸引力。它看起來很簡單：只要讓一組電池保持充電（無論是從交流電網側線路，還是太陽能、風能或其他可再生能源），然后在需要時將電池與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。
事實上，電池的任何行為或性能特征都不簡單，需要小心控制充電和放電，監控電壓、電流和溫度。隨著功率電平的提高，實用、高效且安全的系統并非一個小設計，因此并網多電芯BMS是一個復雜的系統。許多獨特的問題需要深入了解并加以解決，安全也是一個主要的問題。
成功可行的系統設計需要模塊化、結構化、自上而下的架構，由LTC6804等優化組件自下而上提供支持。與先進、安全的數據采集和控制軟件相結合，所構建的高性能BMS安全可靠，只需要很少的操作人員干預，并且能夠自動可靠地穩定運行多年。
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