摘要

鋰離子(Li-Ion)電池和其他化學電池不僅在汽車行業(yè)扮演著關鍵角色，而且也是儲能系統(tǒng)(ESS)的主力軍,。例如,，超級工廠每天可以利用可再生能源生產(chǎn)數(shù)兆瓦時電力。電網(wǎng)如何承受24小時內(nèi)的各種負載波動,？利用基于電池的電網(wǎng)支持儲能系統(tǒng)(BESS)可以有效解決這個問題,。本文討論了電池管理控制器解決方案及其在開發(fā)和部署ESS時的有效性。

鋰離子電池挑戰(zhàn)

為了使用鋰離子電池,，我們需要電池管理系統(tǒng)(BMS),。鋰離子電池可能很危險，因此BMS必不可缺。如果過度充電,，鋰離子電池會發(fā)生熱失控并爆炸,；如果過度放電，電池內(nèi)部會發(fā)生化學反應,，導致其蓄電能力受到永久影響,。這兩種情況都會導致電芯受損，并且可能帶來安全隱患和嚴重的經(jīng)濟損失,。此外，鋰離子電池常常堆疊起來,，形成電池包,，所以也需要使用BMS。堆疊電池通常采用串聯(lián)方式充電,，也就是將一個恒定電流源與電池堆并聯(lián),。然而，這種方法會帶來一個難題：如何實現(xiàn)平衡充電,，即讓所有電池處于相同的荷電狀態(tài)(SOC),。如何在避免電池堆的任何一個電池過度充電或過度放電的前提下，將所有電池完全充電或放電,？一款出色的BMS包含眾多優(yōu)勢,，有助于實現(xiàn)良好平衡。BMS的主要功能包括：

· 監(jiān)測電池參數(shù),，例如電池電壓,、電池溫度以及流入和流出電池的電流。

· 通過測量上述參數(shù),，并使用庫侖計測量充電和放電電流（單位為安培-秒,，即A.s），來計算SOC,。

· 電池平衡（被動）,，可確保所有電池的SOC相同。

電池管理系統(tǒng)解決方案

ADI公司提供多種BMS器件系列(ADBMSxxxx),。例如,，ADBMS1818非常適合工業(yè)和BESS應用，可以測量由18個電池組成的電池堆,。任何ADBMS IC都需要微控制器來操作,。微控制器單元(MCU)與BMS通信，接收測量數(shù)據(jù)并執(zhí)行計算,，以確定SOC和其他參數(shù),。雖然大多數(shù)微控制器可以與BMS通信，但并非所有微控制器都適用。理想的微控制器應具備強大的處理能力,。BMS反饋的數(shù)據(jù)量可能非常龐大,，尤其是在處理大型電池堆時。例如某些電池堆由多達32個以菊花鏈連接的ADBMS1818組成,，電壓可能達到1500 V,。在這種情況下，微控制器必須具有足夠的帶寬,，以便在處理結(jié)果的同時與系統(tǒng)中的不同BMS IC進行通信,。MAX32626微控制器是BMS平臺解決方案的一部分，有兩個電源,，并通過PowerPath?控制器進行管理,。PowerPath控制器根據(jù)板載電源需求（所連接的外設和處理負載等）確定電源優(yōu)先順序。

ADI公司的大多數(shù)監(jiān)控IC都采用適合高壓系統(tǒng)的可堆疊架構,，這意味著多個模擬前端(AFE)可以通過菊花鏈方式連接,。因此，BMS控制板（又稱儲能控制器單元(ESCU）)的一大特性在于可以同時與多個AFE協(xié)同工作,。

圖1為典型的BMS框圖,，其中ESCU以藍色突出顯示。雖然ESCU并未針對功能安全應用進行優(yōu)化,，但用戶可以實施保護電路和/或冗余來滿足某些安全完整性等級(SIL)要求,。

圖1.由ADI BMS解決方案提供支持的BMS簡化框圖

BMS控制板硬件和軟件

 硬件信息

ADI公司的ESCU可與各種BMS器件（AFE、電量計,、isoSPI收發(fā)器）接口對接,。BMS控制板硬件和組成部分的亮點包括：

·  板載MCU：Arm? Cortex?-M4 MAX32626適合儲能應用。該器件以低功耗運行,，速度非?？欤瑑?nèi)部振蕩器的運行頻率高達96 MHz,。在低功耗模式下的運行速度低至4 MHz,，可節(jié)省功耗。此外還具有出色的電源管理特性,，例如低功耗模式下電流僅600 nA,，并有一個已使能的實時時鐘(RTC)。MAX32626還集成了豐富的外設接口,，包括SPI,、UART、I2C,、1-Wire?接口,、USB 2.0,、PWM引擎、10位ADC等,，并內(nèi)置了一個帶高級安全特性的信任保護單元(TPU),。

· 接口：ESCU配備了多個接口，

 包括SPI,、I2C和CAN,。

 isoSPI用于安全穩(wěn)健地跨高壓屏障傳輸信息。

 USB-C用于為電路板供電和燒錄MCU,。

 JTAG用于微控制器編程和調(diào)試,。

 Arduino連接器（提供更大的靈活性，支持添加Arduino兼容板,，例如以太網(wǎng)擴展板,、傳感器板，甚至Proto Shield）,。

· isoSPI收發(fā)器：包含2個LTC6820，利用單個變壓器實現(xiàn)與菊花鏈連接的BMS IC之間的isoSPI通信,，確保該板與連接到大電壓電池堆的BMS IC完全隔離,。雙isoSPI收發(fā)器提供了冗余和可逆的隔離通信，主機MCU交替使用不同通信端口以監(jiān)視信號完整性,。未來該板將包含ADBMS6822（雙isoSPI收發(fā)器）,，以支持更高的數(shù)據(jù)傳輸速率，并支持新款ADI BMS IC中的低功耗電池監(jiān)控(LPCM)功能）,。

· 電源管理：

 可通過DC插孔或連接到PC的USB通過USB 2.0接口（可使用USB-C連接器）供電,。

 優(yōu)先級電路采用LTC4415，根據(jù)控制器和外設側(cè)的負載來選擇電源（DC插孔或USB-C輸入）,。例如,，如果連接并運行Arduino擴展板，則該板的功耗將提高,，超過USB-C所能提供的功率,，此時LTC4415的理想二極管“或”架構將執(zhí)行切換操作，選擇DC插孔作為電源來源,。

 電源鏈提供不同的電壓軌（3.3 V,、2.5 V和5 V），這些電壓軌可通過跳線進行配置,。

· 安全和保護：MAX32626可控制板載隔離柵極驅(qū)動器ADuM4120,，該驅(qū)動器可控制N-FET連接到外部接觸器（如電池板上的接觸器）。在緊急或故障情況下,，MCU將通過ADuM4120打開和關閉MOSFET,，進而斷開接觸器和電池連接，起到保護作用。

圖2中的概要框圖突出了ESCU的主要元件,。

圖2.ESCU的詳細硬件框圖

PCB尺寸較小,，為10 cm×9 cm。主要接口如圖3所示,。

圖3.ESCU的頂面

 軟件信息

在軟件方面,，ADI公司提供了完整解決方案，包括可用于與控制板通信的開源圖形用戶界面(GUI),。該GUI最多支持將三個ADBMS器件連接到菊花鏈,。

GUI通過定義明確且可輕松擴展的開源通信協(xié)議與MCU進行通信。該協(xié)議定義了通過串行端口發(fā)送到MCU的消息,。這些消息受到循環(huán)冗余校驗(CRC)保護,，支持錯誤檢測。用戶可通過消息,，有序地與MCU連接和斷開連接,，設置系統(tǒng)參數(shù)，執(zhí)行測量,，使能和檢查故障,，以及將任何必要的命令寫入ADBMS器件。MCU中的應用代碼利用空閑RTOS線程執(zhí)行并行操作,。這種做法很有用,，因為測量線程可以與故障檢查線程并行運行，從而可以實現(xiàn)故障間隔時間目標,。

我們?yōu)锽MS控制板提供了用Python編寫的軟件界面,。主要的用戶內(nèi)容包括：

1. 系統(tǒng)標簽頁：這是應用程序的主登陸頁面（圖4）。用戶可在此建立串行PC通信,，選擇連接的AFE板數(shù)量,，以及確定用于過壓和欠壓檢查的測量間隔和閾值。點擊連接后,，用戶即可開始測量,。兩個系統(tǒng)狀態(tài)燈都變成綠色（如圖4所示）時，會根據(jù)用戶輸入的電路板數(shù)量而顯示相應的測量標簽頁,。

圖4.用戶應用程序的系統(tǒng)標簽頁

2. BMS標簽頁顯示ESCU處理的每個連接AFE的測量結(jié)果,，如圖5所示。BMS標簽頁包含AFE板的電池和GPIO電壓,、狀態(tài)及故障讀數(shù),。電池電壓測量結(jié)果也以圖形方式實時呈現(xiàn)。

圖5.BMS測量標簽頁

3. 參考標簽頁：GUI包含一個參考標簽頁,，其中會顯示電路板概要框圖和原理圖,。原理圖,、Gerber文件、評估固件,、GUI和用戶指南都是開源的,，由ADI提供。

結(jié)論

能源市場正快速發(fā)展,，對BESS的需求十分迫切,。業(yè)界亟需可以立即部署的完整解決方案，其中還要求包括適當?shù)闹С?，以加快產(chǎn)品上市速度,，避免出現(xiàn)延誤意外。ADI公司的ESCU可全面滿足這一需求,。該板具備BESS所需的關鍵特性,，同時提供了一個全面而靈活的基礎平臺，為未來的進一步開發(fā)鋪平了道路,。

借助ADI公司的BMS控制器解決方案,，用戶將能夠：

· 同時評估多個AFE，因為該解決方案針對的是可堆疊和可擴展架構,。不需要額外的isoSPI收發(fā)器板,。

· 無縫調(diào)試BMS系統(tǒng)，因為該板搭載了JTAG,、狀態(tài)LED以及豐富的連接器和接口。

· 利用開源硬件和軟件縮短產(chǎn)品上市時間,。

ADI公司的BMS控制板具備BESS所需的關鍵特性,，并為未來的發(fā)展提供了一個靈活的基礎平臺。

參考資料

1 “鋰離子電池儲能解決方案”,，ADI公司,，2022年?！皟δ芙鉀Q方案”,，ADI公司

2 Amina Bahri。AN-2093：ADBMS1818從屬模塊解決方案”,，ADI公司,，2021年。