最大限度提高能量存儲(chǔ)電池管理系統(tǒng)中 電池電量監(jiān)視的準(zhǔn)確度和數(shù)據(jù)完整性

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)鋰電池在首次到達(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，完全處于系統(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(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 (參見圖 6)。

圖 6：對(duì) LTC6804 和 isoSPI 接口的測(cè)試結(jié)果表明，在 isoSPI 以 20mA 信號(hào)強(qiáng)度工作時(shí)，盡管注入了 200mA RF，但是仍然沒產(chǎn)生數(shù)據(jù)誤差。

為了展示抗噪聲性能，凌力爾特對(duì) LTC6804 進(jìn)行了 BCI 測(cè)試。測(cè)試時(shí)使用 1MHz 至 400MHz RF 載波，且在載波上有 1kHz AM 調(diào)制，通過該載波將 100mA RF 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，另外還增加了外部 RC 濾波器和鐵氧扼流圈。測(cè)試結(jié)果為，在整個(gè) RF 頻率范圍內(nèi)，電壓讀數(shù)誤差低于 2mV。

LTC6804 提供一系列自評(píng)估和自測(cè)試功能，這使該器件更加適合 BMS 應(yīng)用了。這些評(píng)估和測(cè)試功能包括斷線檢測(cè)、第二個(gè)內(nèi)部 ADC 時(shí)鐘基準(zhǔn)、多工器自測(cè)試甚至內(nèi)部電源電壓測(cè)量。該器件為準(zhǔn)備與 ISO 26262 和 IEC 61508 標(biāo)準(zhǔn)兼容的系統(tǒng)而設(shè)計(jì)。

結(jié)論

面向電網(wǎng)供電系統(tǒng)的備份和連續(xù)供電電源有很大的 “魅力”。這類電源似乎非常簡(jiǎn)單明了：給一個(gè)電池陣列充電 (無論是用電網(wǎng)的 AC 電力線還是太陽(yáng)能、風(fēng)能或其他可再生能源)，然后在需要時(shí)，用這些電池和 DC/AC 逆變器提供相當(dāng)于電力線供電的 AC 電源。

現(xiàn)實(shí)情況是，這些電池的任何工作方式或性能特點(diǎn)都不“簡(jiǎn)單”，需要仔細(xì)控制對(duì)它們的充電，仔細(xì)控制對(duì)其電壓、電流和溫度的監(jiān)視，以及仔細(xì)控制其放電。隨著功率的提高，實(shí)用、高效和安全的系統(tǒng)設(shè)計(jì)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)。需要理解和解決很多獨(dú)特問題，其中系統(tǒng)安全是主要問題。

成功和可行的系統(tǒng)設(shè)計(jì)需要一種由優(yōu)化組件 (例如：LTC6804) 自下而上地提供支持模塊化、結(jié)構(gòu)化、自頂向下的架構(gòu)。當(dāng)與精細(xì)、安全的數(shù)據(jù)采集和控制軟件相組合時(shí)，可造就高性能的可靠 BMS，此類 BMS 幾乎不需要操作人員的干預(yù)，并將以自主的方式運(yùn)行，從而提供為期多年的可靠服務(wù)。