最大限度地提高储能电池管理系统的电池监测准确性和数据完整性

作者：Mike Kultgen 和 Greg Zimmer

并网电池阵列是可行的备用和携带电源;满足其独特和复杂要求的特定应用测量IC可确保可靠的系统性能。

使用大型电池阵列进行备用和携带储能越来越受到关注，特斯拉汽车公司最近宣布的用于家庭和办公室的Powerwall系统就是证明。这些系统中的电池从电力线电网或其他来源持续充电，然后通过 DC/AC 逆变器将交流线路电力回馈给用户。

使用电池进行备用电源并不新鲜，许多系统跨越基本的 120/240V交流短期台式 PC 备份的瓦特为数百瓦，专用车辆（如船舶、混合动力汽车或全电动汽车）的瓦特功率为数千瓦，电网规模的电信和数据中心备份的功率高达 1 的数百千瓦。然而，尽管电池化学和技术的进步引起了人们的广泛关注，但可行的基于电池的安装同样关键的部分是其电池管理系统（BMS）。

在实施储能电池管理系统时存在许多挑战，其解决方案不仅仅是从小规模、低容量的电池组扩大规模。相反，需要新的和更复杂的战略和关键的支助组成部分。

挑战始于对关键电池单元参数的许多测量的高精度和置信度的需求。此外，设计必须在其子系统中采用模块化设计，以便能够根据应用的特定需求定制配置，以及可能的扩展、整体管理问题和必要的维护。

大规模存储阵列的操作环境也带来了其他重大挑战。BMS必须在极其嘈杂的电气和通常很热的环境中提供精确，一致的数据，尽管有高电压/电流逆变器和由此产生的电流尖峰。此外，它必须提供有关内部模块和系统温度测量的大量细粒度数据，这些数据对于充电、监控和放电至关重要，而不仅仅是几个粗略的聚合值。

由于这些电力系统的基本作用，其运行可靠性本质上至关重要。为了将这一容易陈述的目标变为现实，BMS必须确保数据的准确性和完整性，以及持续的健康评估，以便能够持续采取必要的行动。实现稳健的设计和安全性是一个多层次的过程，BMS必须预测问题，执行自检，并在所有子系统上提供故障检测，然后在待机和操作模式下实施适当的操作。作为最终要求，由于高电压、高电流和高功率水平，BMS 必须满足许多严格的监管标准。

系统设计将概念转化为实际结果

虽然监控可充电电池在概念上很简单——只需将电压和电流测量电路放在电池端子上——但BMS的现实却大不相同，而且要复杂得多。

稳健的设计始于对单个电池单元的全面监控，这对模拟功能提出了很高的要求。电池读数需要毫伏和毫安精度，电压和电流测量必须时间同步以计算功率。BMS还必须评估每次测量的有效性，因为它需要最大限度地提高数据完整性，同时还必须识别错误或可疑读数。它不能忽略可能表明潜在问题的异常读数，但同时，它不应该根据有错误的数据采取行动。

模块化 BMS 架构增强了稳健性、可扩展性和可靠性。模块化还有助于在子部分之间的数据链路中在需要时使用隔离，以最大程度地减少电气噪声的影响并提高安全性。此外，包括CRC（循环冗余校验）错误检测和链路确认协议在内的高级数据编码格式可确保数据完整性，因此系统管理功能可以确信其接收的数据是发送的数据。

包含这些原则的BMS的一个例子是由Nuvation Engineering（安大略省滑铁卢和加利福尼亚州桑尼维尔）开发的可扩展和可定制的电池管理系统。Nuvation BMS设计在电网储能系统和备用电源设备的设计中获胜，证明了自己的优势，在这些系统中，可靠性和坚固性至关重要。这种现成的BMS的主要优势在于其分层拓扑（图2），具有三个子系统，每个子系统都有独特的功能，如图3所示。

图2.Nuvation工程电池管理系统是交流电网和电池阵列之间的接口;它提供复杂的电池充电/放电监控以及 DC/AC 逆变器功能

图3.Nuvation BMS的三个主要子系统（单元接口、堆栈控制器、电源接口）采用模块化分层设计，可在各种功率水平下实现可扩展性、鲁棒性和可靠性

电芯接口提供对电池组中每个电芯的严格管理和监控;系统根据需要使用任意数量的单元接口，具体取决于堆栈的数量。这些接口可以随着电池数量的增加而以菊花链形式连接，从而增加堆栈电压。

单元接口连接到单个堆栈控制器，该控制器监视和管理多个单元接口单元。如果需要，可以将多个堆栈控制器连接在一起，以支持具有许多并联堆栈的大型包装。

电源接口将堆栈控制器连接到高电压/电流线路，是逆变器/充电器的接口。它将堆栈的高电压和高电流组件与其他模块进行物理和电气隔离。它还直接从电池组为 BMS 供电，因此无需任何外部电源即可进行 BMS 操作。

Nuvation BMS的模块化和分层架构支持高达1250V的电池组电压直流，使用电池接口模块（每个模块最多包含 16 个电池）、最多包含 48 个电池接口模块的电池组以及包含多个并联堆栈的电池组。从用户的角度来看，整个阵列组件作为单个单元进行管理。

自下而上的可靠设计构建

模块化架构、分层拓扑和错误感知设计等因素对于Nuvation BMS的完整性和可扩展性至关重要，但还不够。成功的实施需要高性能功能块作为物理基础。

这就是凌力尔特的 LTC6804 多节电池监控器 IC（图 4）在 Nuvation BMS 实现中发挥关键作用的原因。它专为满足BMS系统和多节电池设计的需求而量身定制，首先提供多达12个串联堆叠的电池单元的精确测量。其测量输入不是以地为参考的，这大大简化了这些电池的测量，而且 LTC6804 本身可堆叠以与更高电压阵列一起使用 （并且它还支持多种电池化学组成）。它以 16 位分辨率提供最大 0.033% 的误差，只需 290μs 即可测量堆栈中的所有 12 个电池。这种同步电压和电流测量对于对功率参数进行有意义的分析至关重要。

图4.凌力尔特的 LTC6804 多节电池监视器 IC 可在堆叠电池单元上提供准确、精确的测量，这是成功实施 BMS 的起点

当然，在工作台原型的良性环境中的性能与在电气和环境不利的现实世界BMS环境中的实际可实现性能不同。LTC6804 的模数转换器 （ADC） 架构采用专为电源逆变器噪声而设计的滤波器，旨在抵抗和最小化这些不利影响。

数据接口使用单个双绞线隔离 SPI 接口，支持高达 1Mb 的速率和长达 100 米的距离。为了进一步增强系统完整性，该IC包括一系列正在进行的子系统测试。作为其可靠性和耐用性的进一步证明，LTC6804 符合严格的 AEC-Q100 汽车质量标准。该IC之所以能够实现其成果，是因为其应用特定设计紧密关注BMS问题和环境，包括应用的独特系统级目标及其诸多挑战。

解决的三个主要问题

LTC6804 解决了影响系统性能、转换准确度、电池平衡和连接 / 数据完整性考虑因素的三个主要方面：

1. 转换精度

由于BMS应用的短期和长期精度要求，它使用埋藏齐纳转换基准而不是带隙基准。这提供了稳定的低漂移 （20ppm/√kHr）、低温度系数 （3ppm/°C）、低迟滞 （20ppm） 初级基准电压源以及出色的长期稳定性。这种准确性和稳定性至关重要，因为它是所有后续电池单元测量的基础，这些误差会对采集数据的可信度、算法一致性和系统性能产生累积影响。

尽管高精度基准电压源是确保卓越性能的必要功能，但仅此还不够。A/D转换器架构及其工作必须符合电气噪声环境中的规范，这是系统高电流/电压逆变器的脉宽调制（PWM）瞬变的结果。准确评估电池的充电状态 （SOC） 和健康状况还需要相关的电压、电流和温度测量。

为了在系统噪声影响 BMS 性能之前降低系统噪声，LTC6804 转换器采用一种 Δ-Σ 拓扑结构，并辅以 6 个用户可选的滤波器选项以应对嘈杂环境。Δ-Σ方法降低了电磁干扰（EMI）和其他瞬态噪声的影响，因为它本质上是每次转换使用许多样本，并具有平均滤波功能。

2. 细胞平衡

在任何使用以电池或模块组排列的大型电池组的系统中，对电池平衡的需求都是不可避免的结果。尽管大多数锂电池在首次获得时匹配良好，但随着年龄的增长，它们会失去容量。由于许多因素，老化过程可能因电池而异，例如电池组温度的梯度。加剧整个过程的是，允许超出其SOC限制运行的单元将过早老化并失去额外的容量。这些容量差异，加上自放电和负载电流的微小差异，导致电池不平衡。

为了解决电池不平衡问题，LTC6804 直接支持被动平衡 （利用一个用户可设置的定时器）。被动平衡是一种低成本、简单的方法，可在电池充电周期内对所有电池单元的 SOC 进行归一化。通过消除低容量电池的电荷，被动平衡可确保这些低容量电池不会过度充电。LTC6804 还可用于控制主动平衡，这是一种更复杂的平衡技术，可通过充电或放电周期在电池之间传输电荷。

无论是使用主动还是被动方法，电池平衡都依赖于高测量精度。随着测量误差的增加，系统建立的工作保护带也必须增加，因此平衡性能的有效性将受到限制。此外，随着SOC范围的进一步限制，对这些误差的敏感性也会增加。LTC6804 小于 1.2mV 的总测量误差完全符合系统级要求。

3. 连接/数据完整性注意事项

电池组设计的模块化增加了可扩展性、服务能力和外形灵活性。但是，这种模块化要求电池组之间的数据总线具有电流隔离（无欧姆路径），因此任何一个组的故障都不会影响系统的其余部分或在总线上施加高电压。此外，电池组之间的接线必须能够承受高水平的EMI。

双线隔离数据总线是以紧凑且经济高效的方式实现这些目标的可行解决方案。因此，LTC6804 提供了一个称为 iso-SPI 的隔离式 SPI 互连，它将时钟、数据输入、数据输出和片选信号编码为差分脉冲，然后通过变压器（一种坚固、可靠且长期建立的隔离组件）耦合（图 5）。

图5.LTC6804 支持一个隔离式 SPI 接口，该接口可采用菊花链连接以实现更大的阵列，从而形成一个稳健、抗 EMI 的互连，从而最大限度地减少布线要求和隔离器数量

总线上的器件可以菊花链配置连接，这大大降低了线束尺寸，并支持大型高压电池组的模块化设计，同时保持高数据速率和低 EMI 敏感性（图 6）。

图6.LTC6804 和 isoSPI 接口上的测试结果显示，尽管注入了 200mA 的 RF，而 isoSPI 在 20mA 信号强度下工作，但均未出现数据误差

为了证明抗噪性，凌力尔特对 LTC6804 进行了 BCI 测试。这涉及将100mA的RF能量耦合到电池线束中，RF载波从1MHz扫描到400MHz，载波上具有1kHz AM调制。LTC6804 数字滤波器针对一个 1.7kHz 截止频率进行了编程，并增加了一个外部 RC 滤波器和铁氧体扼流圈。结果：在整个RF扫描范围内，电压读数误差低于2mV。

一系列自我评估和自检功能增加了 LTC6804 对 BMS 应用的适用性。这些检查包括开路检测;用于ADC时钟的第二个内部基准;多路复用器自检，甚至测量其内部电源电压。该器件专为符合 ISO 26262 和 IEC 61508 标准的系统而设计。

结论

电网级系统的备用和直通电源有很多魅力。这看起来很简单：只需保持电池阵列充电（无论是来自电网交流线路，还是太阳能、风能或其他可再生能源），然后在需要提供线路等效交流电源时将电池与 DC/AC 逆变器一起使用。

现实情况是，电池在任何行为或性能特征上都不简单，它们需要仔细控制充电，监控其电压、电流和温度以及放电。随着功率水平的提高，实用、高效和安全的系统并非易事，因此并网多单元BMS是一个复杂的系统。需要了解和解决许多独特的问题，其中安全也是一个主要问题。

成功且可行的系统设计需要模块化、结构化、自上而下的架构，由LTC6804等优化组件自下而上提供支持。当与复杂、安全的数据采集和控制软件相结合时，结果是一个高性能、可靠的 BMS，只需最少的操作员参与，并将自主运行，提供多年的可靠服务。

审核编辑：郭婷