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如何提高能量存储电池管理系统的可靠性
作者:Mike Kultgen
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电池/开关电源展厅
电池, 碱性电池, 锂离子电池, 纽扣电池, 太阳能电池, ...
大型电池阵列可以作为备份和连续供电的能量存储系统,这种用法正在得到越来越多的关注,特斯拉汽车公司不久前推出的家用和商用Powerwall系统证明了这一点。这类系统中的电池由电网或其他能源连续充电,然后通过DC/AC逆变器向用户提供交流(AC)电。

用电池作为备份电源并不是新鲜事,目前已经有很多种电池备份电源系统了,例如基本的120/240V AC和数百瓦功率的台式PC短期备份电源系统,船舶、混合动力汽车或全电动型汽车使用的数千瓦特种车船备份电源系统,电信系统和数据中心使用的电网级数百千瓦备份电源系统(参见图1)…等等。尽管电池化学组成和电池技术领域的进步引起了很大的关注,但是对于一个可行和基于电池的备份系统而言,还有一个同样关键的部分,那就是电池管理系统(BMS)。

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图1:基于电池的备份电源非常适合从数千瓦到数百kW功率的固定及移动应用,可为多种应用可靠和有效地供电。

为能量存储应用实现电池管理系统时有很多挑战,其解决方案绝不是从小型、较低容量电池包的管理系统简单“扩展”而成。相反,需要新的、更加复杂的战略以及关键的支持组件。

挑战的起点是,要求很多关键电池参数的测量值具备高准确度和可信度。此外,子系统的设计必须是模块化的,以能够按照应用的特定需求对配置进行定制,还要考虑可能的扩展要求、整体管理问题以及必要的维护。

较大型存储阵列的工作环境还带来了其他重大挑战。在逆变器电压很高/电流很大并因此而产生电流尖峰的情况下,BMS还必须在噪声极大的电气环境而且常常是温度很高的环境中提供精确、一致的数据。此外,BMS还必须针对内部模块和系统温度测量值提供广泛的 “精细” 数据,而不是有限的几项粗略的总计数据,因为这些数据对于充电、监视和放电而言是至关重要的。

由于这些电源系统的重要作用,因此它们的工作可靠性具有与生俱来的关键性。要把上面这个很容易表述的目标变成现实,BMS必须确保数据准确度和完整性以及连续的健康评估,这样BMS才能持续采取所需行动。实现坚固的设计和可靠的安全性是一个多级过程,BMS必须针对所有子系统预期可能出现的问题、执行自测试并提供故障检测,然后在备用模式和工作模式采用恰当的行动。最后一个要求是,由于高压、大电流和大功率,所以 BMS 必须满足很多严格的监管标准要求。

系统设计将概念转变成真实世界的成果

尽管监视可再充电电池从概念上看很简单,只需将电压和电流测量电路放在电池端子处即可,但现实中的BMS却很不一样,要复杂得多。

坚固的设计始于对各节电池的全面监视,这对模拟电路功能提出了一些重要要求。电池读数需要达到毫伏和毫安级准确度,电压和电流测量值必须是时间同步以计算功率。BMS必须评估每次测量的有效性,因为它需要最大限度提高数据完整性,同时BMS还必须识别错误或有问题的读数。BMS不能忽视不寻常的读数,因为这种读数也许表明有潜在问题,但同时,BMS又不能根据有错误的数据采取行动。

模块化BMS架构提高了坚固性、可扩展性和可靠性。数据链路各部分之间需要隔离,以最大限度降低电气噪声的影响,并提高安全性,而模块化为实现隔离提供了方便。此外,先进的数据编码格式[例如循环冗余校验(CRC)差错检测和链接确认协议]可确保数据完整性,这样系统管理电路就可确信,它接收的数据就是所发送的数据。

采用了这些原理的BMS实例之一是由Nuvation Engineering(加拿大安大略省滑铁卢和美国加利福尼亚州桑尼维尔)开发的可扩展和可定制电池管理系统。凭借以可靠性和坚固性作为关键指标的电网电能存储系统和电源后备设备领域屡屡赢得设计案,Nuvation BMS设计正在逐步地证明自己的实力。这种现成有售的BMS之主要优势是其具有三个子系统的分层分级拓扑(参见图2),这三个子系统各具独特的功能,如图3所示。

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图2:Nuvation Engineering公司的电池管理系统是AC电网和电池阵列之间的接口,该系统以先进的方式监督电池充电/放电,并提供DC/AC逆变器功能。

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图3:Nuvation BMS的3大子系统:电池接口、电池组控制器、电源接口。该 BMS 由模块化、分级设计组成,可对多种功率级系统提供可扩展性、坚固性和可靠性。

1. 电池接口对电池组中的每节电池提供严格管理和监视;视电池组的数量不同而不同,系统根据需要采用尽可能多的电池接口。随着电池数量增加以及由此而来的电池组电压提高,这些接口可以按菊花链方式连接以实现系统扩展。

2. 所有电池接口都连接到一个电池组控制器,该控制器监视和管理多个电池接口单元。如果需要,多个电池组控制器可以连接到一起,以支持由很多电池组并联组成的大型电池包。

3. 电源接口将电池组控制器连接到高压 / 大电流线路,是到逆变器 / 充电器的接口。电源接口从物理上和电气上使高压和大电流组件与其他模块隔离。该接口还直接从电池组给BMS供电,因此BMS的运行无需任何外部电源。

Nuvation BMS的模块化和分级架构支持高达1250V DC的电池包电压,所采用的电池接口模块每个支持多达 16 节电池,允许多达 48 个电池接口模块叠置,支持包含多个并联电池组的电池包。从用户的角度来看,整个组装阵列是作为单一单元管理的。

坚固的设计是自下而上建立的

模块化架构、分级拓扑和注重减少差错的设计对Nuvation BMS实现完整性和可扩展性而言是必不可少的,但是这还不够。成功实现Nuvation BMS还需要以高性能基本功能构件作为物理基础。

这就是为什么凌力尔特公司的多节电池监视器IC LTC6804(参见图4)在Nuvation BMS解决方案中发挥关键作用的原因。LTC6804专为满足BMS系统及多节电池设计的需求而定制,起点是针对多达12节串联叠置的电池提供精确的测量值。该器件的测量输入不是以地为基准的,这极大地简化了对电池的测量,而且LTC6804本身是可叠置的,以用于较高电压的阵列(该器件还支持各种电池化学组成)。LTC6804以16位分辨率提供0.033%的最大误差,仅需要290μs就可测完所有12节电池。要产生有意义的电源参数分析结果,这样的同步电压和电流测量是至关重要的。

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图4:凌力尔特公司的LTC6804多节电池监视器IC针对叠置电池提供准确的测量值,是成功实现BMS的起点。

当然,在实验台上原型机所处无害环境中实现的性能与BMS设置在不利的真实电气及自然环境中可实现的性能是不同的。LTC6804的模数转换器(ADC)架构设计采用专门针对电源逆变器噪声而设计的滤波器,可抵御这些有害影响,并使影响最小化。

数据接口采用隔离式单条双绞线SPI接口,支持高达1Mb的传输速率和长达100米的传输距离。为了进一步提高系统完整性,该IC包括一系列持续进行的子系统测试功能。作为进一步表明其可靠性和坚固性的标志,LTC6804满足保证汽车质量的严格AEC-Q100标准要求。这款IC由于专用设计而取得了出色成果,其设计密切关注BMS问题和环境,包括独特的系统级应用目标以及很多挑战。

解决了3大问题

LTC6804解决了影响系统性能的 3 大问题:转换准确度、电池容量平衡和连通性/数据完整性:

1) 转换准确度:考虑到BMS应用的短期和长期准确度要求,该器件采用了掩埋齐纳转换基准,而不是带隙基准。这提供了一个稳定、低漂移(20ppm/√kHr)、低温度系数(3ppm/°C)、低迟滞(20ppm)的主电压基准以及卓越的长期稳定性。这种准确度和稳定性至关重要,因为这是所有后续电池测量的基础,而且这些误差对所采集数据的可信度、算法一致性及系统性能都有累积影响。

尽管高准确度基准是确保上佳性能的必要部件,但仅靠这个是不够的。A/D转换器架构及其运作必须在电噪声环境中符合规范的要求,此类噪声环境是系统的大电流 / 高电压逆变器的脉宽调制(PWM)瞬变的结果。另外,电荷状态(SOC)和电池健康状况的准确评估还需要相互关联的电压、电流和温度测量。

为了减低系统噪声以避免其影响BMS性能,LTC6804转换器采用了一种增量-累加(Δ-Σ)拓扑,辅之以6种用户可选的滤波器选项以应对噪声环境。该Δ-Σ方法由于其具有每次转换采用多个样本的性质和一种取平均的滤波功能,因而减轻了电磁干扰(EMI)和其他瞬态噪声的影响。

2) 电池容量平衡:大型电池包一般由多组电池或电池模块组成,在任何使用这类电池包的系统中,电池容量平衡都是不可避免的要求。尽管大多数锂电池在首次到达用户手中时已经进行了良好的容量匹配,但是随着老化,锂电池会损失容量。由于导致老化过程不同的因素有多种 (例如电池组的温度变化率不同),各节电池的老化过程可能各不相同。使整个老化过程加剧的是,如果允许电池工作范围超出其SOC限制,那么这节电池就会提前老化,并会额外损失容量。这些容量方面的差异,加之自放电和负载电流方面的小差异,会导致电池容量失衡。

为了解决电池容量失衡问题,LTC6804直接地支持被动平衡(用一个用户可设置的定时器)。被动平衡是一种简便的低成本方法,可在电池充电周期归一化所有电池的SOC。通过从容量较低的电池中移走电荷,被动平衡确保这些容量较低的电池不会过度充电。LTC6804还可用来控制主动平衡,这是一种更加复杂的平衡方法,在充电或放电周期中在电池之间传送电荷。

无论采用主动平衡还是被动平衡,电池容量平衡效果都取决于测量准确度是否足够高。随着测量误差增大,系统建立的工作保护带也必须随之增大,因此,容量平衡性能的实效就会受到限制。此外,随着SOC范围受到进一步限制,对这些误差的灵敏度也会提高。LTC6804的总体测量误差低于1.2mV,完全处于系统级要求范围之内。

3) 连通性/数据完整性考虑:电池组设计中的模块化增强了可扩展性、可维修性和外形的灵活性。然而,这种模块化要求电池组之间的数据总线具有电流隔离(无电阻通路),这样,任何一个电池组中的故障就不会影响系统的其余部分或在总线上施加高电压。此外,电池组之间的配线必须要能耐受很高的EMI。

两线式隔离数据总线是一种能以紧凑和具成本效益的方式实现上述目标的可行解决方案。因此,LTC6804提供了被称为isoSPI的隔离式SPI互连,其负责把用于时钟、数据输入、数据输出和芯片选择的信号编码为差分脉冲,然后通过一个变压器把这些差分脉冲耦合至一个坚固、可靠和确定已久的隔离组件(参见图5)。

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图5:LTC6804支持隔离式SPI接口,该接口可以“菊花链”方式连接,以组成较大的阵列,从而实现坚固、抗EMI的互连,同时还能够最大限度减少布线需求和隔离器数量。

该总线上的器件可以通过 “菊花链” 方式连接,这种连接方式可极大地减小线束尺寸,并实现大型、高压电池包的模块化设计,同时保持很高的数据传输速率和很低的EMI敏感性(参见图6)。

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图6:对LTC6804和isoSPI接口的测试结果表明,在isoSPI以20mA信号强度工作时,尽管注入了200mA RF,但是仍然没产生数据误差。

为了展示抗噪声性能,凌力尔特对LTC6804进行了BCI测试。测试时使用1MHz至400MHz RF载波,且在载波上有1kHz AM调制,通过该载波将100mA RF能量耦合到连接电池的线束中。LTC6804数字滤波器的截止频率设定为1.7kHz,另外还增加了外部RC滤波器和铁氧扼流圈。测试结果为,在整个RF频率范围内,电压读数误差低于2mV。

LTC6804提供一系列自评估和自测试功能,这使该器件更加适合BMS应用了。这些评估和测试功能包括断线检测、第二个内部ADC时钟基准、多工器自测试甚至内部电源电压测量。该器件为准备与ISO 26262和IEC 61508标准兼容的系统而设计。

结论

面向电网供电系统的备份和连续供电电源有很大的 “魅力”。这类电源似乎非常简单明了:给一个电池阵列充电(无论是用电网的 AC 电力线还是太阳能、风能或其他可再生能源),然后在需要时,用这些电池和DC/AC逆变器提供相当于电力线供电的AC电源。

现实情况是,这些电池的任何工作方式或性能特点都不“简单”,需要仔细控制对它们的充电,仔细控制对其电压、电流和温度的监视,以及仔细控制其放电。随着功率的提高,实用、高效和安全的系统设计绝不是微不足道的,因此连接电网的多节电池BMS也是非常复杂的系统。需要理解和解决很多独特问题,其中系统安全是主要问题。

成功和可行的系统设计需要一种由优化组件(例如:LTC6804)自下而上地提供支持模块化、结构化、自顶向下的架构。当与精细、安全的数据采集和控制软件相组合时,可造就高性能的可靠BMS,此类BMS几乎不需要操作人员的干预,并将以自主的方式运行,从而提供为期多年的可靠服务。

关于作者:

Mike Kultgen,凌力尔特公司信号调理产品部设计经理
Greg Zimmer,凌力尔特公司信号调理产品部高级产品市场工程师
Stefan Janhunen,Nuvation Engineering公司BMS产品部设计工程师(end)
文章内容仅供参考 (投稿) (9/29/2015)
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