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作者：Amina Joerg，現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用工程師；Paulo Roque，系統(tǒng)應(yīng)用工程師
摘要
鋰離子(Li-Ion)電池和其他化學(xué)電池不僅在汽車(chē)行業(yè)扮演著關(guān)鍵角色，而且也是儲(chǔ)能系統(tǒng)(ESS)的主力軍。例如，超級(jí)工廠每天可以利用可再生能源生產(chǎn)數(shù)兆瓦時(shí)電力。電網(wǎng)如何承受24小時(shí)內(nèi)的各種負(fù)載波動(dòng)？利用基于電池的電網(wǎng)支持儲(chǔ)能系統(tǒng)(BESS)可以有效解決這個(gè)問(wèn)題。本文討論了電池管理控制器解決方案及其在開(kāi)發(fā)和部署ESS時(shí)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(xiǎn)，因此BMS必不可缺。如果過(guò)度充電，鋰離子電池會(huì)發(fā)生熱失控并爆炸；如果過(guò)度放電，電池內(nèi)部會(huì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，導(dǎo)致其蓄電能力受到永久影響。這兩種情況都會(huì)導(dǎo)致電芯受損，并且可能帶來(lái)安全隱患和嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失。此外，鋰離子電池常常堆疊起來(lái)，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(gè)恒定電流源與電池堆并聯(lián)。然而，這種方法會(huì)帶來(lái)一個(gè)難題：如何實(shí)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(gè)電池過(guò)度充電或過(guò)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(shì)，有助于實(shí)現(xiàn)良好平衡。BMS的主要功能包括：
- 監(jiān)測(cè)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(guò)測(cè)量上述參數(shù)，并使用庫(kù)侖計(jì)測(cè)量充電和放電電流（單位為安培-秒，即A.s），來(lái)計(jì)算SOC。
- 電池平衡（被動(dòng)），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(yīng)用，可以測(cè)量由18個(gè)電池組成的電池堆。任何ADBMS IC都需要微控制器來(lái)操作。微控制器單元(MCU)與BMS通信，接收測(cè)量數(shù)據(jù)并執(zhí)行計(jì)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(yīng)具備強(qiáng)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(shí)。例如某些電池堆由多達(dá)32個(gè)以菊花鏈連接的ADBMS1818組成，電壓可能達(dá)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(shí)與系統(tǒng)中的不同BMS IC進(jìn)行通信。MAX32626微控制器是BMS平臺(tái)解決方案的一部分，有兩個(gè)電源，并通過(guò)PowerPath?控制器進(jìn)行管理。PowerPath控制器根據(jù)板載電源需求（所連接的外設(shè)和處理負(fù)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(gòu)，這意味著多個(gè)模擬前端(AFE)可以通過(guò)菊花鏈方式連接。因此，BMS控制板（又稱(chēng)儲(chǔ)能控制器單元(ESCU）)的一大特性在于可以同時(shí)與多個(gè)AFE協(xié)同工作。
圖1為典型的BMS框圖，其中ESCU以藍(lán)色突出顯示。雖然ESCU并未針對(duì)功能安全應(yīng)用進(jìn)行優(yōu)化，但用戶(hù)可以實(shí)施保護(hù)電路和/或冗余來(lái)滿(mǎn)足某些安全完整性等級(jí)(SIL)要求。
圖1.由ADI BMS解決方案提供支持的BMS簡(jiǎn)化框圖
硬件信息
ADI公司的ESCU可與各種BMS器件（AFE、電量計(jì)、isoSPI收發(fā)器）接口對(duì)接。BMS控制板硬件和組成部分的亮點(diǎn)包括：
- 板載MCU：Arm? Cortex?-M4 MAX32626適合儲(chǔ)能應(yīng)用。該器件以低功耗運(yùn)行，速度非常快，內(nèi)部振蕩器的運(yùn)行頻率高達(dá)96 MHz。在低功耗模式下的運(yùn)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(gè)已使能的實(shí)時(shí)時(shí)鐘(RTC)。MAX32626還集成了豐富的外設(shè)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(gè)帶高級(jí)安全特性的信任保護(hù)單元(TPU)。
- 接口：ESCU配備了多個(gè)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。
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(kuò)展板、傳感器板，甚至Proto Shield）。
- isoSPI收發(fā)器：包含2個(gè)LTC6820，利用單個(gè)變壓器實(shí)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(jī)MCU交替使用不同通信端口以監(jiān)視信號(hào)完整性。未來(lái)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A(yù)DI BMS IC中的低功耗電池監(jiān)控(LPCM)功能）。
- 電源管理：
可通過(guò)DC插孔或連接到PC的USB通過(guò)USB 2.0接口（可使用USB-C連接器）供電。
優(yōu)先級(jí)電路采用LTC4415，根據(jù)控制器和外設(shè)側(cè)的負(fù)載來(lái)選擇電源（DC插孔或USB-C輸入）。例如，如果連接并運(yùn)行Arduino擴(kuò)展板，則該板的功耗將提高，超過(guò)USB-C所能提供的功率，此時(shí)LTC4415的理想二極管“或”架構(gòu)將執(zhí)行切換操作，選擇DC插孔作為電源來(lái)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(guò)跳線(xiàn)進(jìn)行配置。
- 安全和保護(hù)：MAX32626可控制板載隔離柵極驅(qū)動(dòng)器ADuM4120，該驅(qū)動(dòng)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(guò)ADuM4120打開(kāi)和關(guān)閉MOSFET，進(jìn)而斷開(kāi)接觸器和電池連接，起到保護(hù)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(xì)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(kāi)源圖形用戶(hù)界面(GUI)。該GUI最多支持將三個(gè)ADBMS器件連接到菊花鏈。
GUI通過(guò)定義明確且可輕松擴(kuò)展的開(kāi)源通信協(xié)議與MCU進(jìn)行通信。該協(xié)議定義了通過(guò)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(yàn)(CRC)保護(hù)，支持錯(cuò)誤檢測(cè)。用戶(hù)可通過(guò)消息，有序地與MCU連接和斷開(kāi)連接，設(shè)置系統(tǒng)參數(shù)，執(zhí)行測(cè)量，使能和檢查故障，以及將任何必要的命令寫(xiě)入ADBMS器件。MCU中的應(yīng)用代碼利用空閑RTOS線(xiàn)程執(zhí)行并行操作。這種做法很有用，因?yàn)闇y(cè)量線(xiàn)程可以與故障檢查線(xiàn)程并行運(yùn)行，從而可以實(shí)現(xiàn)故障間隔時(shí)間目標(biāo)。
我們?yōu)锽MS控制板提供了用Python編寫(xiě)的軟件界面。主要的用戶(hù)內(nèi)容包括：
系統(tǒng)標(biāo)簽頁(yè)：這是應(yīng)用程序的主登陸頁(yè)面（圖4）。用戶(hù)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(guò)壓和欠壓檢查的測(cè)量間隔和閾值。點(diǎn)擊連接后，用戶(hù)即可開(kāi)始測(cè)量。兩個(gè)系統(tǒng)狀態(tài)燈都變成綠色（如圖4所示）時(shí)，會(huì)根據(jù)用戶(hù)輸入的電路板數(shù)量而顯示相應(yīng)的測(cè)量標(biāo)簽頁(yè)。
圖4.用戶(hù)應(yīng)用程序的系統(tǒng)標(biāo)簽頁(yè)
BMS標(biāo)簽頁(yè)顯示ESCU處理的每個(gè)連接AFE的測(cè)量結(jié)果，如圖5所示。BMS標(biāo)簽頁(yè)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(cè)量結(jié)果也以圖形方式實(shí)時(shí)呈現(xiàn)。
圖5.BMS測(cè)量標(biāo)簽頁(yè)
參考標(biāo)簽頁(yè)：GUI包含一個(gè)參考標(biāo)簽頁(yè)，其中會(huì)顯示電路板概要框圖和原理圖。原理圖、Gerber文件、評(píng)估固件、GUI和用戶(hù)指南都是開(kāi)源的，由ADI提供。
結(jié)論
能源市場(chǎng)正快速發(fā)展，對(duì)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(dāng)?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(mǎn)足這一需求。該板具備BESS所需的關(guān)鍵特性，同時(shí)提供了一個(gè)全面而靈活的基礎(chǔ)平臺(tái)，為未來(lái)的進(jìn)一步開(kāi)發(fā)鋪平了道路。
借助ADI公司的BMS控制器解決方案，用戶(hù)將能夠：
- 同時(shí)評(píng)估多個(gè)AFE，因?yàn)樵摻鉀Q方案針對(duì)的是可堆疊和可擴(kuò)展架構(gòu)。不需要額外的isoSPI收發(fā)器板。
- 無(wú)縫調(diào)試BMS系統(tǒng)，因?yàn)樵摪宕钶d了JTAG、狀態(tài)LED以及豐富的連接器和接口。
- 利用開(kāi)源硬件和軟件縮短產(chǎn)品上市時(shí)間。
ADI公司的BMS控制板具備BESS所需的關(guān)鍵特性，并為未來(lái)的發(fā)展提供了一個(gè)靈活的基礎(chǔ)平臺(tái)。
參考資料
1 “鋰離子電池儲(chǔ)能解決方案”，ADI公司，2022年?！皟?chǔ)能解決方案”，ADI公司
2 Amina Bahri。AN-2093：ADBMS1818從屬模塊解決方案”，ADI公司，2021年。
