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作者：Christian Cruz，應用開(kāi)發(fā)工程師； Marvin Neil Cabuenas，高級固件工程師 ADI公司 摘要 本文介紹ADI公司為開(kāi)放計算項目(OCP)開(kāi)放機架第3版(ORV3)備用電池單元(BBU)的電池管理系統(BMS)開(kāi)發(fā)的算法。BMS是任何數據中心BBU必不可少的設備，其主要作用是通過(guò)監視和調節電池包的充電狀態(tài)(SOC)、健康狀況和功率來(lái)確保電池包的安全。因此，BMS是數據中心中復雜而重要的組件，必須謹慎設計和實(shí)施。 簡(jiǎn)介 在探索ADI公司的BBU參考設計時(shí)，有必要了解BMS的工作原理。BMS負責監視和調節電池的狀況，確保電池在安全參數內運行。其中包括監視電池堆電壓、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。穩健的BMS可以使系統實(shí)現理想效率和安全性。延長(cháng)電池壽命對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)仔細監測電池的健康狀態(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，監視電池的SOC對于電池堆的整體健康狀況非常重要。隨著(zhù)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(cháng)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模塊持續運行更長(cháng)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(cháng)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(xún)制造商的指南，了解特定電池的具體放電深度建議。 此外，仔細考量電池的化學(xué)特性至關(guān)重要。在BBU模塊的設計中，使用鋰離子(Li-ion)電池是一個(gè)謹慎的選擇。選擇鋰離子電池是因為它已得到廣泛使用，與OCP ORV3規范的要求完全一致。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)復雜的關(guān)鍵因素，始終決定著(zhù)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(zhù)對高效、高性能電池的需求不斷增加，實(shí)現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)電池都有各自獨特的特性，并且隨著(zhù)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，都可能導致電池不平衡。這些不平衡可能造成電池總容量減少、效率降低，甚至電池包過(guò)早失效。相關(guān)設計要求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。這種方法相對簡(jiǎn)單且經(jīng)濟高效，但會(huì )導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行，從而提高儲能系統的整體效率和有效性，有助于BBU模塊系統更加可持續和可靠地運行。BBU中使用的BMS微控制器是MAX32625。BMS微控制器負責兩個(gè)重要的過(guò)程。參見(jiàn)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數據。 2. 通過(guò)I2C通信將從器件收集的所有遙測數據傳遞到主微控制器。 BMS微控制器通過(guò)SPI協(xié)議與ADBMS6948通信。通過(guò)發(fā)送適當的命令代碼，BMS微控制器允許該器件收集遙測數據并同時(shí)執行操作。參見(jiàn)圖2。從BMS IC收集的所有數據都將由BMS MCU發(fā)送和處理。
圖2.BMS微控制器發(fā)送命令和存儲BMS芯片數據的過(guò)程。 BMS微控制器的另一個(gè)重要任務(wù)是將收集到的數據發(fā)送到主微控制器，用于充電和放電算法及風(fēng)扇轉速控制。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
請注意，目前所有BMS微控制器寄存器都是只讀寄存器。構建日期和序列號僅采集一次，然后存儲在主微控制器的外部EEPROM中。 電池檢測和平衡操作 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(cháng)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(kāi)始時(shí)，BBU模塊工作在充電模式，保持44V的穩定電壓水平，充電電流從5A開(kāi)始，隨著(zhù)電池SOC的增加而逐漸減小。這種方法對于防止過(guò)度充電特別有效，因為電壓保持恒定，不會(huì )超過(guò)電池的安全電壓限值。電池堆電壓達到37V至40V或預定義閾值后，充電器可能會(huì )轉變到其他充電階段，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(zhù)電池充電的進(jìn)行而逐漸升高。 該方法對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，直至達到一定的電壓水平。電池堆電壓達到預定點(diǎn)后，充電過(guò)程可以轉變到其他階段，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)常結合使用，以獲得理想的充電曲線(xiàn)。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)現高效充電，延長(cháng)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充電機制對于BBU模塊充電操作至關(guān)重要。 電池檢測方法 電池檢測方法是電池管理系統的一個(gè)關(guān)鍵方面。此技術(shù)旨在精準確定電池包中每個(gè)電池的電壓和狀態(tài)。電池檢測方法采用復雜的檢測電路和測量算法，讓系統能夠收集有關(guān)每個(gè)電池的電壓、溫度和整體健康狀況的實(shí)時(shí)數據，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。有效的電池檢測對于維持現代儲能系統的整體效率和可靠性至關(guān)重要。 ADBMS6948有11個(gè)ADC，專(zhuān)門(mén)用于檢測電池包的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位結果，LSB為150μV。另有11個(gè)ADC專(zhuān)門(mén)利用S引腳同時(shí)測量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位結果，LSB為1.6 mV。這些S-ADC通過(guò)完全獨立于C-ADC的測量方法實(shí)現冗余電池電壓測量。 被動(dòng)平衡操作 被動(dòng)平衡是電池系統管理中常用的技術(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)現電池平衡。這些集成元件承擔電壓泄放器或能量耗散器的作用，有利于讓表現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)調一致，從而在較長(cháng)時(shí)間內促進(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)達成平衡。ADBMS6948上的S-ADC引腳可用于對單個(gè)電池進(jìn)行放電。S-ADC引腳上內置的MOSFET可用于對電池進(jìn)行放電。每個(gè)S-ADC引腳都可以使用PWM單獨或連續控制。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。 使用庫侖計數器的電池充電 庫侖計數器的主要作用是準確測量流入流出電池或電路的電荷量（以庫侖為單位）。通過(guò)這種測量，可以更好地控制電池堆充電和放電，從而延長(cháng)電池堆壽命，提高效率，并且更準確地監測容量。 ADBMS6948集成了庫侖計數器，因此可以監測充電過(guò)程中流經(jīng)電池的電荷量。庫侖計數器也稱(chēng)為集成電流傳感器或電荷監測器，用于測量流入或流出電池的電荷總量（以庫侖為單位）。使用庫侖計數器進(jìn)行電池充電時(shí)，計數器會(huì )監測輸送到電池的電荷量。這是通過(guò)測量流經(jīng)電池的電流并將其對時(shí)間積分以計算總電量來(lái)完成的。因此，估計電池的SOC并實(shí)施充電算法可以?xún)?yōu)化充電過(guò)程。 ADBMS6948庫侖計數器的基本操作涉及將流入流出電池堆的電流對時(shí)間積分，以計算傳輸的總電荷。其工作原理如下： ► 電流測量：該器件測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將測得的電流對時(shí)間積分。積分涉及定期對電流值求和以計算累積電荷。 ► 容量計算：累積電荷轉換為安時(shí)(Ah)或庫侖，以提供有關(guān)電池堆剩余容量的信息。 ► 監視與顯示：計算出的容量經(jīng)過(guò)處理后傳輸到主MCU，并顯示在圖形用戶(hù)界面上以供進(jìn)一步處理。該信息對于電池管理、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)，庫侖計數器會(huì )連續測量流過(guò)電池的電流，并將其對時(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)估計充電期間的SOC。此估計有助于防止過(guò)度充電，并支持實(shí)施充電算法，根據溫度、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。對于希望詳細了解該主題的人士，強烈建議閱讀這些資源。Kevin Scott和Sam Nork撰寫(xiě)了兩篇關(guān)于電池平衡類(lèi)型的文章：“被動(dòng)電芯平衡”和“主動(dòng)電芯平衡”。有關(guān)電池特性測試的更多信息，請參閱“配合電量計使用的鋰離子電池特性測試”。 總結 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(cháng)電池壽命和提高容量，確保高效利用電池的儲能能力。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，尤其是對于電池系統。BMS整合了安全功能和監控機制，以防止熱失控并最大限度地減少潛在危險。它能防范過(guò)流、過(guò)壓和異常溫度情況，從而保護電池系統和周?chē)h(huán)境。能效是BMS的另一大優(yōu)勢。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(zhù)可以節省成本，減少對環(huán)境的影響，增加可用能源的利用率。 BMS還能準確監測和估算電池堆的SOC和SOH。這些信息對于正確管理電池使用情況、計算剩余運行時(shí)間以及規劃維護或更換時(shí)間至關(guān)重要。添加庫侖計數器對于精確測量和監測非常重要。此信息對于在各種應用中實(shí)現高效電池管理和延長(cháng)電池壽命至關(guān)重要，有利于提高系統可靠性并降低意外故障的可能性。 總之，BBU中包含的ADI ADBMS6948 BMS在保證數據中心的性能、安全性和可靠性方面發(fā)揮著(zhù)重要作用。它可以提供每位用戶(hù)都應該了解的關(guān)鍵信息，以幫助延長(cháng)電池使用壽命。 本系列的第四部分——“實(shí)現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公司如何設計和實(shí)現圖形用戶(hù)界面，同時(shí)允許用戶(hù)與BBU架上的六個(gè)BBU模塊進(jìn)行通信并從中收集數據。該文還會(huì )說(shuō)明作為BBU架專(zhuān)用MCU的MAX32625的功能和操作。 “實(shí)現不間斷能源的智能備用電池第一部分：電氣和機械設計”討論了BBU的電氣和機械設計考慮因素�！皩�(shí)現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)一步詳細介紹了主微控制器的軟件。 參考文獻 1David Sun�！伴_(kāi)放機架/規格和設計�！遍_(kāi)放計算項目。 關(guān)于作者 Christian Cruz是ADI菲律賓公司的應用開(kāi)發(fā)工程師。他擁有菲律賓馬尼拉東方大學(xué)的電子工程學(xué)士學(xué)位。他在模擬和數字設計、固件設計和電力電子領(lǐng)域擁有超過(guò)12年的工程經(jīng)驗，包括電源管理IC開(kāi)發(fā)以及AC-DC和DC-DC電源轉換。他于2020年加入ADI公司，目前負責支持基于云的計算和系統通信應用的電源管理需求。 Marvin Neil Solis Cabueñas畢業(yè)于菲律賓馬尼拉德拉薩大學(xué)，獲電子工程學(xué)士學(xué)位。2021年加入ADI公司。此前，Marvin曾在A(yíng)zeus Systems菲律賓公司擔任系統工程師，然后在Technistock菲律賓公司擔任網(wǎng)絡(luò )工程師（2014年至2017年），并在諾基亞技術(shù)中心菲律賓公司擔任研發(fā)工程師（2017年至2020年）。他在不同領(lǐng)域擁有超過(guò)10年的工作經(jīng)驗，如嵌入式系統編程、數字信號處理、仿真建模等。目前擔任高級軟件系統工程師，負責多個(gè)與電源相關(guān)的技術(shù)項目。目前正在攻讀菲律賓大學(xué)電氣工程碩士學(xué)位。 |
