作者：Mike Kultgen 和 Greg Zimmer

并網電池陣列是可行的備用和攜帶電源;滿足其獨特和復雜要求的特定應用測量IC可確保可靠的系統性能。

使用大型電池陣列進行備用和攜帶儲能越來越受到關注，特斯拉汽車公司最近宣布的用于家庭和辦公室的Powerwall系統就是證明。這些系統中的電池從電力線電網或其他來源持續充電，然后通過 DC/AC 逆變器將交流線路電力回饋給用戶。

使用電池進行備用電源并不新鮮，許多系統跨越基本的 120/240V交流短期臺式 PC 備份的瓦特為數百瓦，專用車輛（如船舶、混合動力汽車或全電動汽車）的瓦特功率為數千瓦，電網規模的電信和數據中心備份的功率高達 1 的數百千瓦。然而，盡管電池化學和技術的進步引起了人們的廣泛關注，但可行的基于電池的安裝同樣關鍵的部分是其電池管理系統（BMS）。

在實施儲能電池管理系統時存在許多挑戰，其解決方案不僅僅是從小規模、低容量的電池組擴大規模。相反，需要新的和更復雜的戰略和關鍵的支助組成部分。

挑戰始于對關鍵電池單元參數的許多測量的高精度和置信度的需求。此外，設計必須在其子系統中采用模塊化設計，以便能夠根據應用的特定需求定制配置，以及可能的擴展、整體管理問題和必要的維護。

大規模存儲陣列的操作環境也帶來了其他重大挑戰。BMS必須在極其嘈雜的電氣和通常很熱的環境中提供精確，一致的數據，盡管有高電壓/電流逆變器和由此產生的電流尖峰。此外，它必須提供有關內部模塊和系統溫度測量的大量細粒度數據，這些數據對于充電、監控和放電至關重要，而不僅僅是幾個粗略的聚合值。

由于這些電力系統的基本作用，其運行可靠性本質上至關重要。為了將這一容易陳述的目標變為現實，BMS必須確保數據的準確性和完整性，以及持續的健康評估，以便能夠持續采取必要的行動。實現穩健的設計和安全性是一個多層次的過程，BMS必須預測問題，執行自檢，并在所有子系統上提供故障檢測，然后在待機和操作模式下實施適當的操作。作為最終要求，由于高電壓、高電流和高功率水平，BMS 必須滿足許多嚴格的監管標準。

系統設計將概念轉化為實際結果

雖然監控可充電電池在概念上很簡單——只需將電壓和電流測量電路放在電池端子上——但BMS的現實卻大不相同，而且要復雜得多。

穩健的設計始于對單個電池單元的全面監控，這對模擬功能提出了很高的要求。電池讀數需要毫伏和毫安精度，電壓和電流測量必須時間同步以計算功率。BMS還必須評估每次測量的有效性，因為它需要最大限度地提高數據完整性，同時還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，它不應該根據有錯誤的數據采取行動。

模塊化 BMS 架構增強了穩健性、可擴展性和可靠性。模塊化還有助于在子部分之間的數據鏈路中在需要時使用隔離，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（循環冗余校驗）錯誤檢測和鏈路確認協議在內的高級數據編碼格式可確保數據完整性，因此系統管理功能可以確信其接收的數據是發送的數據。

包含這些原則的BMS的一個例子是由Nuvation Engineering（安大略省滑鐵盧和加利福尼亞州桑尼維爾）開發的可擴展和可定制的電池管理系統。Nuvation BMS設計在電網儲能系統和備用電源設備的設計中獲勝，證明了自己的優勢，在這些系統中，可靠性和堅固性至關重要。這種現成的BMS的主要優勢在于其分層拓撲（圖2），具有三個子系統，每個子系統都有獨特的功能，如圖3所示。

圖2.Nuvation工程電池管理系統是交流電網和電池陣列之間的接口;它提供復雜的電池充電/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（單元接口、堆棧控制器、電源接口）采用模塊化分層設計，可在各種功率水平下實現可擴展性、魯棒性和可靠性

電芯接口提供對電池組中每個電芯的嚴格管理和監控;系統根據需要使用任意數量的單元接口，具體取決于堆棧的數量。這些接口可以隨著電池數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堆棧控制器，該控制器監視和管理多個單元接口單元。如果需要，可以將多個堆棧控制器連接在一起，以支持具有許多并聯堆棧的大型包裝。

電源接口將堆棧控制器連接到高電壓/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行物理和電氣隔離。它還直接從電池組為 BMS 供電，因此無需任何外部電源即可進行 BMS 操作。

Nuvation BMS的模塊化和分層架構支持高達1250V的電池組電壓直流，使用電池接口模塊（每個模塊最多包含 16 個電池）、最多包含 48 個電池接口模塊的電池組以及包含多個并聯堆棧的電池組。從用戶的角度來看，整個陣列組件作為單個單元進行管理。

自下而上的可靠設計構建

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至關重要，但還不夠。成功的實施需要高性能功能塊作為物理基礎。

這就是凌力爾特的 LTC6804 多節電池監控器 IC（圖 4）在 Nuvation BMS 實現中發揮關鍵作用的原因。它專為滿足BMS系統和多節電池設計的需求而量身定制，首先提供多達12個串聯堆疊的電池單元的精確測量。其測量輸入不是以地為參考的，這大大簡化了這些電池的測量，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組成）。它以 16 位分辨率提供最大 0.033% 的誤差，只需 290μs 即可測量堆棧中的所有 12 個電池。這種同步電壓和電流測量對于對功率參數進行有意義的分析至關重要。

圖4.凌力爾特的 LTC6804 多節電池監視器 IC 可在堆疊電池單元上提供準確、精確的測量，這是成功實施 BMS 的起點

當然，在工作臺原型的良性環境中的性能與在電氣和環境不利的現實世界BMS環境中的實際可實現性能不同。LTC6804 的模數轉換器 （ADC） 架構采用專為電源逆變器噪聲而設計的濾波器，旨在抵抗和最小化這些不利影響。

數據接口使用單個雙絞線隔離 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包括一系列正在進行的子系統測試。作為其可靠性和耐用性的進一步證明，LTC6804 符合嚴格的 AEC-Q100 汽車質量標準。該IC之所以能夠實現其成果，是因為其應用特定設計緊密關注BMS問題和環境，包括應用的獨特系統級目標及其諸多挑戰。

解決的三個主要問題

LTC6804 解決了影響系統性能、轉換準確度、電池平衡和連接 / 數據完整性考慮因素的三個主要方面：

1. 轉換精度

由于BMS應用的短期和長期精度要求，它使用埋藏齊納轉換基準而不是帶隙基準。這提供了穩定的低漂移 （20ppm/√kHr）、低溫度系數 （3ppm/°C）、低遲滯 （20ppm） 初級基準電壓源以及出色的長期穩定性。這種準確性和穩定性至關重要，因為它是所有后續電池單元測量的基礎，這些誤差會對采集數據的可信度、算法一致性和系統性能產生累積影響。

盡管高精度基準電壓源是確保卓越性能的必要功能，但僅此還不夠。A/D轉換器架構及其工作必須符合電氣噪聲環境中的規范，這是系統高電流/電壓逆變器的脈寬調制（PWM）瞬變的結果。準確評估電池的充電狀態 （SOC） 和健康狀況還需要相關的電壓、電流和溫度測量。

為了在系統噪聲影響 BMS 性能之前降低系統噪聲，LTC6804 轉換器采用一種 Δ-Σ 拓撲結構，并輔以 6 個用戶可選的濾波器選項以應對嘈雜環境。Δ-Σ方法降低了電磁干擾（EMI）和其他瞬態噪聲的影響，因為它本質上是每次轉換使用許多樣本，并具有平均濾波功能。

2. 細胞平衡

在任何使用以電池或模塊組排列的大型電池組的系統中，對電池平衡的需求都是不可避免的結果。盡管大多數鋰電池在首次獲得時匹配良好，但隨著年齡的增長，它們會失去容量。由于許多因素，老化過程可能因電池而異，例如電池組溫度的梯度。加劇整個過程的是，允許超出其SOC限制運行的單元將過早老化并失去額外的容量。這些容量差異，加上自放電和負載電流的微小差異，導致電池不平衡。

為了解決電池不平衡問題，LTC6804 直接支持被動平衡 （利用一個用戶可設置的定時器）。被動平衡是一種低成本、簡單的方法，可在電池充電周期內對所有電池單元的 SOC 進行歸一化。通過消除低容量電池的電荷，被動平衡可確保這些低容量電池不會過度充電。LTC6804 還可用于控制主動平衡，這是一種更復雜的平衡技術，可通過充電或放電周期在電池之間傳輸電荷。

無論是使用主動還是被動方法，電池平衡都依賴于高測量精度。隨著測量誤差的增加，系統建立的工作保護帶也必須增加，因此平衡性能的有效性將受到限制。此外，隨著SOC范圍的進一步限制，對這些誤差的敏感性也會增加。LTC6804 小于 1.2mV 的總測量誤差完全符合系統級要求。

3. 連接/數據完整性注意事項

電池組設計的模塊化增加了可擴展性、服務能力和外形靈活性。但是，這種模塊化要求電池組之間的數據總線具有電流隔離（無歐姆路徑），因此任何一個組的故障都不會影響系統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。

雙線隔離數據總線是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 提供了一個稱為 iso-SPI 的隔離式 SPI 互連，它將時鐘、數據輸入、數據輸出和片選信號編碼為差分脈沖，然后通過變壓器（一種堅固、可靠且長期建立的隔離組件）耦合（圖 5）。

圖5.LTC6804 支持一個隔離式 SPI 接口，該接口可采用菊花鏈連接以實現更大的陣列，從而形成一個穩健、抗 EMI 的互連，從而最大限度地減少布線要求和隔離器數量

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計，同時保持高數據速率和低 EMI 敏感性（圖 6）。

圖6.LTC6804 和 isoSPI 接口上的測試結果顯示，盡管注入了 200mA 的 RF，而 isoSPI 在 20mA 信號強度下工作，但均未出現數據誤差

為了證明抗噪性，凌力爾特對 LTC6804 進行了 BCI 測試。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調制。LTC6804 數字濾波器針對一個 1.7kHz 截止頻率進行了編程，并增加了一個外部 RC 濾波器和鐵氧體扼流圈。結果：在整個RF掃描范圍內，電壓讀數誤差低于2mV。

一系列自我評估和自檢功能增加了 LTC6804 對 BMS 應用的適用性。這些檢查包括開路檢測;用于ADC時鐘的第二個內部基準;多路復用器自檢，甚至測量其內部電源電壓。該器件專為符合 ISO 26262 和 IEC 61508 標準的系統而設計。

結論

電網級系統的備用和直通電源有很多魅力。這看起來很簡單：只需保持電池陣列充電（無論是來自電網交流線路，還是太陽能、風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將電池與 DC/AC 逆變器一起使用。

現實情況是，電池在任何行為或性能特征上都不簡單，它們需要仔細控制充電，監控其電壓、電流和溫度以及放電。隨著功率水平的提高，實用、高效和安全的系統并非易事，因此并網多單元BMS是一個復雜的系統。需要了解和解決許多獨特的問題，其中安全也是一個主要問題。

成功且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。當與復雜、安全的數據采集和控制軟件相結合時，結果是一個高性能、可靠的 BMS，只需最少的操作員參與，并將自主運行，提供多年的可靠服務。

審核編輯：郭婷