最大限度提高能量存儲電池管理系統(tǒng)中 電池電量監(jiān)視的準確度和數(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)鋰電池在首次到達用戶手中時已經(jīng)進行了良好的容量匹配，但是隨著老化，鋰電池會損失容量。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)電池就會提前老化，并會額外損失容量。這些容量方面的差異，加之自放電和負載電流方面的小差異，會導(dǎo)致電池容量失衡。

為了解決電池容量失衡問題，LTC6804 直接地支持被動平衡 (用一個用戶可設(shè)置的定時器)。被動平衡是一種簡便的低成本方法，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，被動平衡確保這些容量較低的電池不會過度充電。LTC6804 還可用來控制主動平衡，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。

無論采用主動平衡還是被動平衡，電池容量平衡效果都取決于測量準確度是否足夠高。隨著測量誤差增大，系統(tǒng)建立的工作保護帶也必須隨之增大，因此，容量平衡性能的實效就會受到限制。此外，隨著 SOC 范圍受到進一步限制，對這些誤差的靈敏度也會提高。LTC6804 的總體測量誤差低于 1.2mV，完全處于系統(tǒng)級要求范圍之內(nèi)。

3)連通性 / 數(shù)據(jù)完整性考慮：電池組設(shè)計中的模塊化增強了可擴展性、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，任何一個電池組中的故障就不會影響系統(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現(xiàn)上述目標的可行解決方案。因此，LTC6804 提供了被稱為 isoSPI 的隔離式 SPI 互連，其負責(zé)把用于時鐘、數(shù)據(jù)輸入、數(shù)據(jù)輸出和芯片選擇的信號編碼為差分脈沖，然后通過一個變壓器把這些差分脈沖耦合至一個堅固、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，從而實現(xiàn)堅固、抗 EMI 的互連，同時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，并實現(xiàn)大型、高壓電池包的模塊化設(shè)計，同時保持很高的數(shù)據(jù)傳輸速率和很低的 EMI 敏感性 (參見圖 6)。

圖 6：對 LTC6804 和 isoSPI 接口的測試結(jié)果表明，在 isoSPI 以 20mA 信號強度工作時，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 LTC6804 進行了 BCI 測試。測試時使用 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。測試結(jié)果為，在整個 RF 頻率范圍內(nèi)，電壓讀數(shù)誤差低于 2mV。

LTC6804 提供一系列自評估和自測試功能，這使該器件更加適合 BMS 應(yīng)用了。這些評估和測試功能包括斷線檢測、第二個內(nèi)部 ADC 時鐘基準、多工器自測試甚至內(nèi)部電源電壓測量。該器件為準備與 ISO 26262 和 IEC 61508 標準兼容的系統(tǒng)而設(shè)計。

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單明了：給一個電池陣列充電 (無論是用電網(wǎng)的 AC 電力線還是太陽能、風(fēng)能或其他可再生能源)，然后在需要時，用這些電池和 DC/AC 逆變器提供相當于電力線供電的 AC 電源。

現(xiàn)實情況是，這些電池的任何工作方式或性能特點都不“簡單”，需要仔細控制對它們的充電，仔細控制對其電壓、電流和溫度的監(jiān)視，以及仔細控制其放電。隨著功率的提高，實用、高效和安全的系統(tǒng)設(shè)計絕不是微不足道的，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)。當與精細、安全的數(shù)據(jù)采集和控制軟件相組合時，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行，從而提供為期多年的可靠服務(wù)。