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

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。

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(lái)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(wú)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) 1250Vdc 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(hù)的角度來(lái)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)展性而言是必不可少的，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(jiàn)圖 4) 在 Nuvation BMS 解決方案中發(fā)揮關(guān)鍵作用的原因。LTC6804 專(zhuān)為滿(mǎn)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)疊置的電池提供精確的測(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% 的最大誤差，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(wú)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(zhuān)門(mén)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，并使影響最小化。

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(zhǎng)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(mǎn)足保證汽車(chē)質(zhì)量的嚴(yán)格 AEC-Q100 標(biāo)準(zhǔn)要求。這款 IC 由于專(zhuān)用設(shè)計(jì)而取得了出色成果，其設(shè)計(jì)密切關(guān)注 BMS 問(wèn)題和環(huán)境，包括獨(dú)特的系統(tǒng)級(jí)應(yīng)用目標(biāo)以及很多挑戰(zhàn)。

解決了 3 大問(wèn)題

LTC6804 解決了影響系統(tǒng)性能的 3 大問(wèn)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(zhǎng)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)以及卓越的長(zhǎng)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(lèi)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 BMS 性能，LTC6804 轉(zhuǎn)換器采用了一種增量-累加 (ΔΣ) 拓?fù)?，輔之以 6 種用戶(hù)可選的濾波器選項(xiàng)以應(yīng)對(duì)噪聲環(huán)境。該 ΔΣ 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。