大规模电池阵列管理系统中的测量精度和可靠性分析

并网电池阵列是可行的备用和直通电源，满足其独特和复杂要求的专用测量IC可确保可靠的系统性能。

大规模电池阵列用于备份和携带能量存储的应用日益受到关注，特斯拉汽车最近宣布推出用于家庭和办公室的Powerwall系统。这些系统中的电池通过电力线网或其他电源连续充电，然后通过DC / AC逆变器将AC线路电源提供给用户。

使用电池进行备用电源不是新的，许多系统跨越基本的120 / 240V ac 和几百瓦的短期台式PC备份，到数千瓦的特种车辆，如船舶，混合动力汽车或全电动用于电网规模的电信和数据中心备份的车辆高达数百千瓦（见图1）。然而，虽然电池化学和技术的进步得到了很多关注，但可行的基于电池的安装的一个同样关键的部分是其电池管理系统（BMS）。

当面临许多挑战时实施用于储能的电池管理系统，他们的解决方案不仅仅是从小规模，低容量的电池组扩展。相反，需要新的和更复杂的策略和关键支持组件。

挑战始于对关键电池单元参数的多次测量的高精度和可靠性的需求。此外，设计必须在其子系统中采用模块化，以便根据应用的特定需求定制配置，以及可能的扩展，整体管理问题和必要的维护。

大规模的运行环境存储阵列也带来了其他重大挑战。尽管存在高电压/电流逆变器和由此产生的电流尖峰，但BMS必须在极其嘈杂的电气和通常热的环境中提供精确，一致的数据。此外，它必须提供有关内部模块和系统温度测量的大量细粒度数据，这些数据对于充电，监测和放电至关重要，而不仅仅是一些粗刷聚合值。

由于这些电力系统的基本作用，其运行可靠性本质上是至关重要的。为了将这个容易陈述的目标变为现实，BMS必须确保数据的准确性和完整性，以及持续的健康评估，以便它可以持续采取所需的行动。实现稳健的设计和安全是一个多层次的过程，BMS必须预测问题，执行自检，并在所有子系统上提供故障检测，然后在待机和运行模式下实施适当的操作。作为最终的授权，由于高电压，电流和功率水平，BMS必须满足许多严格的监管标准。

系统设计将概念转化为现实世界的结果

虽然监控可充电电池的概念很简单 - 只需将电压和电流测量电路放在电池端子上 - BMS的实际情况就完全不同了，而且要复杂得多。

坚固的设计始于对各个电池单元进行全面监控，这对模拟功能提出了很高的要求。电池读数需要毫伏和毫安精度，电压和电流测量必须时间同步才能计算功率。 BMS还必须评估每个测量的有效性，因为它需要最大化数据完整性，同时还必须识别错误或可疑读数。它不能忽略可能表明潜在问题的异常读数，但同时，它不应基于有错误的数据采取行动。

模块化BMS架构增强了稳健性，可扩展性和可靠性。模块化还便于在子部分之间的数据链路中使用隔离，以最小化电噪声的影响并增强安全性。此外，包括CRC（循环冗余校验）错误检测和链路确认协议在内的高级数据编码格式可确保数据完整性，因此系统管理功能可以确保收到的数据是发送的数据。

结合这些原理的BMS的示例是由Nuvation Engineering（Waterloo，Ontario和Sunnyvale，CA）开发的可扩展和可定制的电池管理系统。 Nuvation BMS设计在网格能量存储系统和电源备份设备方面取得了巨大成功，其可靠性和坚固性至关重要。这种现成的BMS的关键优势在于其分层的分层拓扑结构（图2），其中包含三个子系统，每个子系统都具有独特的功能，如图3所示。

单元接口提供对堆栈中每个电池单元的严密管理和监控;系统根据需要使用尽可能多的单元接口，具体取决于堆栈的数量。这些接口可以菊花链式连接，因为单元数量会增加堆栈电压。

单元接口连接到单个堆栈控制器，监控和管理多个单元接口单元。如果需要，可以将多个堆栈控制器连接在一起，以支持并联多个堆栈的大型堆栈。

电源接口将堆栈控制器连接到高压/电流线路，并且是逆变器/充电器的接口。它将堆叠中的高压和高电流元件与其他模块进行物理和电气隔离。它还直接从电池组为BMS供电，因此无需为BMS操作提供任何外部电源。

Nuvation BMS的模块化和分层架构支持电池组电压最高可达1250V dc ，使用单元接口模块，每个模块最多包含16个单元，最多可堆叠48个单元接口模块，以及包含多个并行堆栈的电池组。从用户的角度来看，整个阵列组件作为一个单元进行管理。

从底层开始构建实体设计

模块化架构，分层等因素拓扑和错误感知设计对于Nuvation BMS的完整性和可扩展性至关重要，但还不够。成功实施需要高性能功能模块作为物理基础。

这就是凌力尔特公司的LTC6804多节电池监控器IC（图4）在Nuvation BMS实施中发挥关键作用的原因。它专为满足BMS系统和多电池设计的需求而量身定制，从提供多达12个串联电池组的精确测量开始。其测量输入不以地为参考，大大简化了这些电池的测量，LTC6804本身可堆叠用于高压阵列（并且还支持各种电池化学）。它在16位分辨率下提供最大0.033％的误差，并且仅需290μs即可测量堆栈中的所有12个单元。这种同步的电压和电流测量对于产生有意义的功率参数分析至关重要。

当然，在板凳原型的良性环境中的性能与在电气和环境恶劣的真实世界BMS设置中的实际可实现性能不同。 LTC6804的模拟/数字转换器（ADC）架构旨在通过专为功率逆变器噪声设计的滤波器来抵抗和最小化这些不利影响。

数据接口使用单个双绞线隔离SPI接口支持高达1Mb的速率和最远100米的距离。为了进一步增强系统完整性，IC包括一系列正在进行的子系统测试。作为其可靠性和坚固性的进一步表明，LTC6804符合严格的AEC-Q100汽车质量标准。该IC通过特定于应用的设计实现其结果，该设计密切关注BMS问题和环境，包括应用程序的独特系统级目标及其许多挑战。

已解决的三个主要问题

LTC6804解决了影响系统性能，转换精度，单元平衡和连接/数据完整性考虑因素的三个主要方面：

1、转换精度

由于BMS应用的短期和长期精度要求，它使用埋入式齐纳转换参考而不是带隙参考。这提供了稳定的低漂移（20ppm /√ kHr ），低温系数（3ppm /°C），低滞后（20ppm）初级电压基准以及出色的长期稳定性。这种准确性和稳定性至关重要，因为它是所有后续电池测量的基础，这些误差会对采集的数据可信度，算法一致性和系统性能产生累积影响。

虽然精度高参考是确保卓越性能的必要特征，仅凭这一点是不够的。 A / D转换器架构及其操作必须满足电噪声环境中的规范，这是系统的高电流/电压逆变器的脉冲宽度调制（PWM）瞬变的结果。准确评估电池的充电状态（SOC）和健康状况还需要相关的电压，电流和温度测量。

为了在系统噪声影响BMS性能之前降低系统噪声，LTC6804转换器使用delta-sigma拓扑结构，由六个用户可选择的滤波器选项辅助，以解决嘈杂的环境问题。 delta-sigma方法减少了电磁干扰（EMI）和其他瞬态噪声的影响，因为其每次转换使用大量样本的性质，具有平均滤波功能。

2、电池平衡

对于使用大型电池组排列为电池组或模块组的任何系统，电池平衡的需求是不可避免的结果。虽然大多数锂电池在首次获得时匹配良好，但随着老化，它们会失去容量。由于许多因素，例如包装温度的梯度，老化过程可能因细胞而异。加剧整个过程，允许超出其SOC限制的单元将过早老化并失去额外的容量。这些容量差异加上自放电和负载电流的微小差异会导致电池不平衡。

为了解决电池不平衡问题，LTC6804直接支持被动平衡（使用用户可设置的定时器） 。无源平衡是一种低成本，简单的方法，可在电池充电周期内对所有电池的SOC进行标准化。通过从较低容量电池移除电荷，被动平衡确保这些较低容量的电池不会过度充电。 LTC6804还可用于控制有源平衡，这是一种更复杂的平衡技术，可通过充电或放电周期在电池之间传输电荷。

无论是采用有源还是无源方式，电池平衡都依赖于高测量精度。随着测量误差的增加，系统建立的工作保护带也必须增加，因此平衡性能的有效性将受到限制。此外，随着SOC范围的进一步限制，对这些误差的灵敏度也增加。 LTC6804的总测量误差小于1.2mV，完全符合系统级要求。

3、连接/数据完整性注意事项

电池组设计中的模块化增加了可扩展性，服务能力和外形灵活性。但是，这种模块化要求封装之间的数据总线具有电流隔离（无欧姆路径），因此任何一个封装中的故障都不会影响系统的其余部分或在总线上施加高电压。此外，封装之间的布线必须能够承受高水平的EMI。

双线隔离数据总线是以紧凑且经济高效的方式实现这些目标的可行解决方案。因此，LTC6804提供称为iso-SPI的隔离SPI互连，它将时钟，数据输入，数据输出和芯片选择信号编码为差分脉冲，然后通过变压器耦合，坚固，可靠且长期建立隔离组件（图5）。

总线上的设备可以采用菊花链配置连接，这大大减少了线束尺寸，并实现了大型高压电池组的模块化设计，同时保持高数据速率和低EMI敏感性（图6）。

为了展示抗噪能力，凌力尔特公司对LTC6804进行了BCI测试。这包括将100mA的RF能量耦合到电池线束中，RF载波从1MHz扫描到400MHz，载波上有1kHz AM调制。 LTC6804数字滤波器的编程频率为1.7kHz，并且还添加了外部RC滤波器和铁氧体扼流圈。结果：在整个RF扫描范围内，电压读数误差低于2mV。

一系列自我评估和自测功能增加了LTC6804对BMS应用的适用性。这些检查包括开线检测; ADC时钟的第二个内部参考;多路复用器自检，甚至测量其内部电源电压。该器件专为符合ISO 26262和IEC 61508标准的系统而设计。

结论

备份相关的魅力很多和网格级系统的随身携带用品。这似乎很简单：只需保持一系列电池充电（无论是来自电网 - 交流线路，还是太阳能，风能或其他可再生能源），然后在需要提供线路等效时使用带DC / AC逆变器的电池交流电源。

现实情况是，电池的任何行为或性能特征都不简单，需要仔细控制充电，监控电压，电流，温度和放电。随着功率水平的提高，实用，高效和安全的系统不是一个简单的设计，因此并网多单元BMS是一个复杂的系统。需要理解和解决许多独特的问题，安全性也是一个主要问题。

成功且可行的系统设计需要模块化，结构化，自上而下的架构，由自下而上的优化组件支持例如LTC6804。结合先进，安全的数据采集和控制软件，结果是一个高性能，可靠的BMS，只需要最少的操作员参与，并且可以自动运行多年的可靠服务。