實(shí)現(xiàn)不間斷能源的智能備用電池第三部分：電池管理系統(tǒng)

摘要

本文介紹ADI公司為開放計(jì)算項(xiàng)目(OCP)開放機(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_放機(jī)架/規(guī)格和設(shè)計(jì)?！遍_放計(jì)算項(xiàng)目。