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如何提高能量存儲(chǔ)電池管理系統(tǒng)的可靠性
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120/240V AC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,、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)過程,，BMS必須針對(duì)所有子系統(tǒng)預(yù)期可能出現(xiàn)的問題、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),。zui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)樗枰獄ui大限度提高數(shù)據(jù)完整性,，同時(shí)BMS還必須識(shí)別錯(cuò)誤或有問題的讀數(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zui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，*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加利福尼亞州桑尼維爾)開發(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)?參見圖2),，這三個(gè)子系統(tǒng)各具*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*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,。
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)1250V DC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*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zui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zui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I(lǐng)C由于設(shè)計(jì)而取得了出色成果,，其設(shè)計(jì)密切關(guān)注BMS問題和環(huán)境,，包括*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)用的短期和長期準(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)以及的長期穩(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B(tài)MS性能,，LTC6804轉(zhuǎn)換器采用了一種增量-累加(Δ-Σ)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Δ-Σ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,。
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(gè)老化過程加劇的是,，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)過度充電,。LTC6804還可用來控制主動(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，*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zui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(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