摘要

　　本文介紹ADI公司為開(kāi)放計(jì)算項(xiàng)目（OCP）開(kāi)放機(jī)架第3版（ORV3）備用電池單元（BBU）的電池管理系統(tǒng)（BMS）開(kāi)發(fā)的算法。BMS是任何數(shù)據(jù)中心BBU必不可少的設(shè)備,，其主要作用是通過(guò)監(jiān)視和調(diào)節(jié)電池包的充電狀態(tài)（SOC）,、健康狀況和功率來(lái)確保電池包的安全。因此,，BMS是數(shù)據(jù)中心中復(fù)雜而重要的組件,，必須謹(jǐn)慎設(shè)計(jì)和實(shí)施。

　　簡(jiǎn)介

　　在探索ADI公司的BBU參考設(shè)計(jì)時(shí),，有必要了解BMS的工作原理,。BMS負(fù)責(zé)監(jiān)視和調(diào)節(jié)電池的狀況，確保電池在安全參數(shù)內(nèi)運(yùn)行,。其中包括監(jiān)視電池堆電壓,、電池堆溫度和電池堆整體電流水平，以及管理充電和放電周期,。穩(wěn)健的BMS可以使系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)理想效率和安全性,。延長(zhǎng)電池壽命對(duì)于維持峰值性能至關(guān)重要。在不知情的情況下頻繁過(guò)度充電或過(guò)度放電,，會(huì)損害電池健康,，縮短電池使用壽命。通過(guò)仔細(xì)監(jiān)測(cè)電池的健康狀態(tài)（SOH）并正確使用,，可以避免電池意外關(guān)閉或故障,，使電池發(fā)揮理想性能。

　　此外,，監(jiān)視電池的SOC對(duì)于電池堆的整體健康狀況非常重要,。隨著時(shí)間的推移，電池會(huì)損失容量,，而電量耗盡至零會(huì)加速電池容量的損耗,。延長(zhǎng)電池壽命的理想方法是將電池電量保持在20%到80%之間,。了解電池的SOC可確保BBU模塊持續(xù)運(yùn)行更長(zhǎng)時(shí)間。

　　除了SOH和SOC之外,，還必須更好地了解放電深度（DOD）,。DOD是使用充電電池時(shí)需要考慮的一個(gè)重要因素。它是指在單次放電循環(huán)中消耗的電池容量百分比,。一般來(lái)說(shuō),，為了延長(zhǎng)電池整體壽命，建議避免將電池放電至20%DOD以下,。然而,，一些電池可以承受更深程度的放電而不會(huì)造成明顯損壞。務(wù)必查詢制造商的指南,，了解特定電池的具體放電深度建議,。

　　此外，仔細(xì)考量電池的化學(xué)特性至關(guān)重要,。在BBU模塊的設(shè)計(jì)中,，使用鋰離子（Li-ion）電池是一個(gè)謹(jǐn)慎的選擇。選擇鋰離子電池是因?yàn)樗训玫綇V泛使用,，與OCP ORV3規(guī)范的要求完全一致,。¹ 這種一致性的背后原因在于鋰離子電池的優(yōu)良特性，即出色的能量密度和非常輕的重量,。值得注意的是,，深入研究鋰離子電池的化學(xué)成分揭示了一個(gè)至關(guān)重要的事實(shí)：鋰離子電池的化學(xué)成分是一個(gè)復(fù)雜的關(guān)鍵因素，始終決定著電池的性能,、安全性和整體耐用性,。

　　另一個(gè)需要考慮的方面是電池平衡。電池平衡是電池技術(shù)領(lǐng)域的一個(gè)重要概念,。隨著對(duì)高效,、高性能電池的需求不斷增加，實(shí)現(xiàn)理想的電池平衡變得越來(lái)越重要,。電池平衡是指均衡電池包內(nèi)各個(gè)電池的電壓或SOC的過(guò)程,。在包含多個(gè)電池的電池包中，每個(gè)電池都有各自獨(dú)特的特性,，并且隨著時(shí)間的推移,，電池性能可能會(huì)發(fā)生變化。制造容差,、電池容量變化以及使用模式差異等因素,，都可能導(dǎo)致電池不平衡。這些不平衡可能造成電池總?cè)萘繙p少、效率降低,，甚至電池包過(guò)早失效。相關(guān)設(shè)計(jì)要求BBU上有一個(gè)被動(dòng)平衡器,。因此,，被動(dòng)平衡涉及使用電阻來(lái)泄放或消耗電壓水平較高的電池中的多余能量。這種方法相對(duì)簡(jiǎn)單且經(jīng)濟(jì)高效,，但會(huì)導(dǎo)致能量損失和熱量產(chǎn)生,。電池平衡可確保電池包中的每個(gè)電池都以理想水平運(yùn)行，從而提高儲(chǔ)能系統(tǒng)的整體效率和有效性,，有助于BBU模塊系統(tǒng)更加可持續(xù)和可靠地運(yùn)行,。BBU中使用的BMS微控制器是MAX32625。BMS微控制器負(fù)責(zé)兩個(gè)重要的過(guò)程,。參見(jiàn)圖1,。

　　圖1.連接到BMS IC （ADBMS6948）的BMS微控制器（MAX32625）。

　　1.與BMS IC （ADBMS6948）通信,，獲取電池電壓,、電池溫度、欠壓,、過(guò)壓和整體電池堆電流水平的遙測(cè)數(shù)據(jù),。

　　2.通過(guò)I2C通信將從器件收集的所有遙測(cè)數(shù)據(jù)傳遞到主微控制器。

　　BMS微控制器通過(guò)SPI協(xié)議與ADBMS6948通信,。通過(guò)發(fā)送適當(dāng)?shù)拿畲a,，BMS微控制器允許該器件收集遙測(cè)數(shù)據(jù)并同時(shí)執(zhí)行操作。參見(jiàn)圖2,。從BMS IC收集的所有數(shù)據(jù)都將由BMS MCU發(fā)送和處理,。

　　圖2.BMS微控制器發(fā)送命令和存儲(chǔ)BMS芯片數(shù)據(jù)的過(guò)程。

　　BMS微控制器的另一個(gè)重要任務(wù)是將收集到的數(shù)據(jù)發(fā)送到主微控制器,，用于充電和放電算法及風(fēng)扇轉(zhuǎn)速控制,。這是通過(guò)與BMS微控制器進(jìn)行I2C協(xié)議通信，然后由主微控制器讀取寄存器來(lái)完成的,。BMS微控制器的寄存器映射如表1所示,。

　　表1.BMS微控制器寄存器映射

　　請(qǐng)注意，目前所有BMS微控制器寄存器都是只讀寄存器,。構(gòu)建日期和序列號(hào)僅采集一次,，然后存儲(chǔ)在主微控制器的外部EEPROM中。

　　電池檢測(cè)和平衡操作

　　電池充電技術(shù)

　　恒壓（CV）和恒流（CC）是電池充電系統(tǒng)中采用的兩種不同充電技術(shù),，可優(yōu)化充電過(guò)程并延長(zhǎng)電池壽命,。

　　CV充電

　　CV充電是一種在充電初始階段向電池堆施加固定電壓的充電方法。充電過(guò)程開(kāi)始時(shí),，BBU模塊工作在充電模式,，保持44V的穩(wěn)定電壓水平,，充電電流從5A開(kāi)始，隨著電池SOC的增加而逐漸減小,。這種方法對(duì)于防止過(guò)度充電特別有效,，因?yàn)殡妷罕３趾愣ǎ粫?huì)超過(guò)電池的安全電壓限值,。電池堆電壓達(dá)到37V至40V或預(yù)定義閾值后,，充電器可能會(huì)轉(zhuǎn)變到其他充電階段，例如將充電電流從5A減少到0.5A,。

　　CC充電

　　CC充電則是向電池堆端子施加一致的充電電流,。在此階段，充電電流保持在5 A不變,，而電池電壓隨著電池充電的進(jìn)行而逐漸升高,。

　　該方法對(duì)于初始充電水平較低的電池堆快速充電特別有用。它確保電流以受控方式流入電池堆,，直至達(dá)到一定的電壓水平,。電池堆電壓達(dá)到預(yù)定點(diǎn)后，充電過(guò)程可以轉(zhuǎn)變到其他階段,，例如將恒定電流從5A減小到2A,，或者進(jìn)入恒壓階段。

　　在BBU模塊電池堆充電模式中,，CV和CC充電方法經(jīng)常結(jié)合使用,，以獲得理想的充電曲線。前期CC階段幫助快速向電池傳輸能量,，而后期CV階段則通過(guò)限制電壓來(lái)避免過(guò)度充電,。這種組合技術(shù)可實(shí)現(xiàn)高效充電，延長(zhǎng)電池壽命,，并保持電池包的安全性和性能,。正確實(shí)施CV和CC充電機(jī)制對(duì)于BBU模塊充電操作至關(guān)重要。

　　電池檢測(cè)方法

　　電池檢測(cè)方法是電池管理系統(tǒng)的一個(gè)關(guān)鍵方面,。此技術(shù)旨在精準(zhǔn)確定電池包中每個(gè)電池的電壓和狀態(tài),。電池檢測(cè)方法采用復(fù)雜的檢測(cè)電路和測(cè)量算法，讓系統(tǒng)能夠收集有關(guān)每個(gè)電池的電壓,、溫度和整體健康狀況的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù),，然后利用這些信息做出有關(guān)充電、放電和平衡操作的明智決策,，從而優(yōu)化電池包的性能,、安全性和使用壽命。有效的電池檢測(cè)對(duì)于維持現(xiàn)代儲(chǔ)能系統(tǒng)的整體效率和可靠性至關(guān)重要。

　　ADBMS6948有11個(gè)ADC,，專門用于檢測(cè)電池包的11個(gè)差分電池輸入,。電池堆采用11路串聯(lián)和6路并聯(lián)配置，并連接到C0至C10引腳,，即BMS的ADC,。ADC的輸入范圍為-2.5V至+5.5V，采樣頻率約為4MHz,，每1ms產(chǎn)生16位結(jié)果,，LSB為150μV,。另有11個(gè)ADC專門利用S引腳同時(shí)測(cè)量11個(gè)差分輸入,，輸入范圍為0 V至5.5 V，采樣頻率約為4 MHz,，每8 ms產(chǎn)生13位結(jié)果,，LSB為1.6 mV。這些S-ADC通過(guò)完全獨(dú)立于C-ADC的測(cè)量方法實(shí)現(xiàn)冗余電池電壓測(cè)量,。

　　被動(dòng)平衡操作

　　被動(dòng)平衡是電池系統(tǒng)管理中常用的技術(shù),，它采用無(wú)源元件（特別是電阻）和并聯(lián)在每個(gè)電池上的集成MOSFET來(lái)實(shí)現(xiàn)電池平衡。這些集成元件承擔(dān)電壓泄放器或能量耗散器的作用,，有利于讓表現(xiàn)出較高電壓或能量狀態(tài)的電池以受控方式耗散多余的能量,，使得電池之間的電壓電位或能量狀態(tài)逐漸協(xié)調(diào)一致，從而在較長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)促進(jìn)電壓和能量平衡,。

　　如果電池包中的電池變得不平衡,，BMS必須通過(guò)讓電壓較高的電池放電來(lái)達(dá)成平衡。ADBMS6948上的S-ADC引腳可用于對(duì)單個(gè)電池進(jìn)行放電,。S-ADC引腳上內(nèi)置的MOSFET可用于對(duì)電池進(jìn)行放電,。每個(gè)S-ADC引腳都可以使用PWM單獨(dú)或連續(xù)控制。通過(guò)配置PWMA,、PWMB和CFGB寄存器,，還可以在BMS微控制器處于休眠工作模式時(shí)平衡電池。

　　使用庫(kù)侖計(jì)數(shù)器的電池充電

　　庫(kù)侖計(jì)數(shù)器的主要作用是準(zhǔn)確測(cè)量流入流出電池或電路的電荷量（以庫(kù)侖為單位）,。通過(guò)這種測(cè)量,，可以更好地控制電池堆充電和放電，從而延長(zhǎng)電池堆壽命,，提高效率,，并且更準(zhǔn)確地監(jiān)測(cè)容量。

　　ADBMS6948集成了庫(kù)侖計(jì)數(shù)器,，因此可以監(jiān)測(cè)充電過(guò)程中流經(jīng)電池的電荷量,。庫(kù)侖計(jì)數(shù)器也稱為集成電流傳感器或電荷監(jiān)測(cè)器，用于測(cè)量流入或流出電池的電荷總量（以庫(kù)侖為單位）。使用庫(kù)侖計(jì)數(shù)器進(jìn)行電池充電時(shí),，計(jì)數(shù)器會(huì)監(jiān)測(cè)輸送到電池的電荷量,。這是通過(guò)測(cè)量流經(jīng)電池的電流并將其對(duì)時(shí)間積分以計(jì)算總電量來(lái)完成的。因此,，估計(jì)電池的SOC并實(shí)施充電算法可以優(yōu)化充電過(guò)程,。

　　ADBMS6948庫(kù)侖計(jì)數(shù)器的基本操作涉及將流入流出電池堆的電流對(duì)時(shí)間積分，以計(jì)算傳輸?shù)目傠姾?。其工作原理如下?/p>

　　▲電流測(cè)量：該器件測(cè)量流入或流出電池堆的電流,。這通常利用電流傳感器（例如連接在電池堆低端的分流電阻）來(lái)完成。

　　▲積分：使用ADBMS6948將測(cè)得的電流對(duì)時(shí)間積分,。積分涉及定期對(duì)電流值求和以計(jì)算累積電荷,。

　　▲容量計(jì)算：累積電荷轉(zhuǎn)換為安時(shí)（Ah）或庫(kù)侖，以提供有關(guān)電池堆剩余容量的信息,。

　   ▲監(jiān)視與顯示：計(jì)算出的容量經(jīng)過(guò)處理后傳輸?shù)街鱉CU,，并顯示在圖形用戶界面上以供進(jìn)一步處理。該信息對(duì)于電池管理,、確定SOC以及防止過(guò)度充電或過(guò)度放電非常有價(jià)值,。

　　充電時(shí)，庫(kù)侖計(jì)數(shù)器會(huì)連續(xù)測(cè)量流過(guò)電池的電流,，并將其對(duì)時(shí)間積分,。通過(guò)了解電池的初始SOC，可以將積分電量與初始值相加來(lái)估計(jì)充電期間的SOC,。此估計(jì)有助于防止過(guò)度充電,，并支持實(shí)施充電算法，根據(jù)溫度,、電池使用時(shí)間和化學(xué)成分等因素優(yōu)化充電過(guò)程,。

　　請(qǐng)查看ADI公司之前的文章，了解電池平衡和電池壽命優(yōu)化技巧,。對(duì)于希望詳細(xì)了解該主題的人士,，強(qiáng)烈建議閱讀這些資源。Kevin Scott和Sam Nork撰寫了兩篇關(guān)于電池平衡類型的文章：“被動(dòng)電芯平衡”和“主動(dòng)電芯平衡”,。有關(guān)電池特性測(cè)試的更多信息,，請(qǐng)參閱“配合電量計(jì)使用的鋰離子電池特性測(cè)試”。

　　總結(jié)

　　綜上,，ADI公司的ADBMS6948 BMS與BBU的集成至關(guān)重要,。BMS具有許多優(yōu)點(diǎn)，可以改善電池系統(tǒng)的性能,、安全性,、可靠性和壽命,。通過(guò)優(yōu)化電池性能，良好的BMS有助于最大限度延長(zhǎng)電池壽命和提高容量,，確保高效利用電池的儲(chǔ)能能力,。BMS可以主動(dòng)管理充電和放電過(guò)程，防止過(guò)度充電,、過(guò)度放電和過(guò)熱,，避免損壞電池。安全性是一個(gè)關(guān)鍵方面,，尤其是對(duì)于電池系統(tǒng),。BMS整合了安全功能和監(jiān)控機(jī)制，以防止熱失控并最大限度地減少潛在危險(xiǎn),。它能防范過(guò)流,、過(guò)壓和異常溫度情況，從而保護(hù)電池系統(tǒng)和周圍環(huán)境,。能效是BMS的另一大優(yōu)勢(shì),。優(yōu)化充電和放電過(guò)程可最大限度地減少能量損失,，并提高BBU的整體效率,。這意味著可以節(jié)省成本，減少對(duì)環(huán)境的影響,，增加可用能源的利用率,。

　　BMS還能準(zhǔn)確監(jiān)測(cè)和估算電池堆的SOC和SOH。這些信息對(duì)于正確管理電池使用情況,、計(jì)算剩余運(yùn)行時(shí)間以及規(guī)劃維護(hù)或更換時(shí)間至關(guān)重要,。添加庫(kù)侖計(jì)數(shù)器對(duì)于精確測(cè)量和監(jiān)測(cè)非常重要。此信息對(duì)于在各種應(yīng)用中實(shí)現(xiàn)高效電池管理和延長(zhǎng)電池壽命至關(guān)重要,，有利于提高系統(tǒng)可靠性并降低意外故障的可能性,。

　　總之，BBU中包含的ADI ADBMS6948 BMS在保證數(shù)據(jù)中心的性能,、安全性和可靠性方面發(fā)揮著重要作用,。它可以提供每位用戶都應(yīng)該了解的關(guān)鍵信息，以幫助延長(zhǎng)電池使用壽命,。

　　本系列的第四部分——“實(shí)現(xiàn)不間斷能源的智能備用電池第四部分：BBU架的操作”——將介紹ADI公司如何設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)圖形用戶界面,，同時(shí)允許用戶與BBU架上的六個(gè)BBU模塊進(jìn)行通信并從中收集數(shù)據(jù)。該文還會(huì)說(shuō)明作為BBU架專用MCU的MAX32625的功能和操作,。

　　“實(shí)現(xiàn)不間斷能源的智能備用電池第一部分：電氣和機(jī)械設(shè)計(jì)”討論了BBU的電氣和機(jī)械設(shè)計(jì)考慮因素,。“實(shí)現(xiàn)不間斷能源的智能備用電池第二部分：BBU微控制器的功能和操作”進(jìn)一步詳細(xì)介紹了主微控制器的軟件,。

　　參考文獻(xiàn)

　　¹David Sun,?！伴_(kāi)放機(jī)架/規(guī)格和設(shè)計(jì)?！遍_(kāi)放計(jì)算項(xiàng)目,。

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