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作者：Amina Joerg，ADI 現場(chǎng)應用工程師；Paulo Roque，ADI 系統應用工程師 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(zhù)關(guān)鍵角色，而且也是儲能系統(ESS)的主力軍。例如，超級工廠(chǎng)每天可以利用可再生能源生產(chǎn)數兆瓦時(shí)電力。電網(wǎng)如何承受24小時(shí)內的各種負載波動(dòng)？利用基于電池的電網(wǎng)支持儲能系統(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 為了使用鋰離子電池，我們需要電池管理系統(BMS)。鋰離子電池可能很危險，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，電池內部會(huì )發(fā)生化學(xué)反應，導致其蓄電能力受到永久影響。這兩種情況都會(huì )導致電芯受損，并且可能帶來(lái)安全隱患和嚴重的經(jīng)濟損失。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，有助于實(shí)現良好平衡。BMS的主要功能包括： u 監測電池參數，例如電池電壓、電池溫度以及流入和流出電池的電流。 u 通過(guò)測量上述參數，并使用庫侖計測量充電和放電電流（單位為安培-秒，即A.s），來(lái)計算SOC。 u 電池平衡（被動(dòng)），可確保所有電池的SOC相同。 電池管理系統解決方案 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應用，可以測量由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，接收測量數據并執行計算，以確定SOC和其他參數。雖然大多數微控制器可以與BMS通信，但并非所有微控制器都適用。理想的微控制器應具備強大的處理能力。BMS反饋的數據量可能非常龐大，尤其是在處理大型電池堆時(shí)。例如某些電池堆由多達32個(gè)以菊花鏈連接的ADBMS1818組成，電壓可能達到1500 V。在這種情況下，微控制器必須具有足夠的帶寬，以便在處理結果的同時(shí)與系統中的不同BMS IC進(jìn)行通信。MAX32626微控制器是BMS平臺解決方案的一部分，有兩個(gè)電源，并通過(guò)PowerPath™控制器進(jìn)行管理。PowerPath控制器根據板載電源需求（所連接的外設和處理負載等）確定電源優(yōu)先順序。 ADI公司的大多數監控IC都采用適合高壓系統的可堆疊架構，這意味著(zhù)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以藍色突出顯示。雖然ESCU并未針對功能安全應用進(jìn)行優(yōu)化，但用戶(hù)可以實(shí)施保護電路和/或冗余來(lái)滿(mǎn)足某些安全完整性等級(SIL)要求。 
圖1.由ADI BMS解決方案提供支持的BMS簡(jiǎn)化框圖 BMS控制板硬件和軟件 硬件信息 ADI公司的ESCU可與各種BMS器件（AFE、電量計、isoSPI收發(fā)器）接口對接。BMS控制板硬件和組成部分的亮點(diǎn)包括： u 板載MCU：Arm® Cortex®-M4 MAX32626適合儲能應用。該器件以低功耗運行，速度非�？�，內部振蕩器的運行頻率高達96 MHz。在低功耗模式下的運行速度低至4 MHz，可節省功耗。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接口，包括SPI、UART、I2C、1-Wire®接口、USB 2.0、PWM引擎、10位ADC等，并內置了一個(gè)帶高級安全特性的信任保護單元(TPU)。 u 接口：ESCU配備了多個(gè)接口， ■ 包括SPI、I2C和CAN。 ■ isoSPI用于安全穩健地跨高壓屏障傳輸信息。 ■ USB-C用于為電路板供電和燒錄MCU。 ■ JTAG用于微控制器編程和調試。 ■ 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)擴展板、傳感器板，甚至Proto Shield）。 u isoSPI收發(fā)器：包含2個(gè)LTC6820，利用單個(gè)變壓器實(shí)現與菊花鏈連接的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MCU交替使用不同通信端口以監視信號完整性。未來(lái)該板將包含ADBMS6822（雙isoSPI收發(fā)器），以支持更高的數據傳輸速率，并支持新款ADI BMS IC中的低功耗電池監控(LPCM)功能）。 u 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)先級電路采用LTC4415，根據控制器和外設側的負載來(lái)選擇電源（DC插孔或USB-C輸入）。例如，如果連接并運行Arduino擴展板，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”架構將執行切換操作，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。 u 安全和保護：MAX32626可控制板載隔離柵極驅動(dòng)器ADuM4120，該驅動(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(CRC)保護，支持錯誤檢測。用戶(hù)可通過(guò)消息，有序地與MCU連接和斷開(kāi)連接，設置系統參數，執行測量，使能和檢查故障，以及將任何必要的命令寫(xiě)入ADBMS器件。MCU中的應用代碼利用空閑RTOS線(xiàn)程執行并行操作。這種做法很有用，因為測量線(xiàn)程可以與故障檢查線(xiàn)程并行運行，從而可以實(shí)現故障間隔時(shí)間目標。 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)內容包括： 1. 系統標簽頁(yè)：這是應用程序的主登陸頁(yè)面（圖4）。用戶(hù)可在此建立串行PC通信，選擇連接的AFE板數量，以及確定用于過(guò)壓和欠壓檢查的測量間隔和閾值。點(diǎn)擊連接后，用戶(hù)即可開(kāi)始測量。兩個(gè)系統狀態(tài)燈都變成綠色（如圖4所示）時(shí)，會(huì )根據用戶(hù)輸入的電路板數量而顯示相應的測量標簽頁(yè)。
圖4.用戶(hù)應用程序的系統標簽頁(yè) 2. BMS標簽頁(yè)顯示ESCU處理的每個(gè)連接AFE的測量結果，如圖5所示。BMS標簽頁(yè)包含AFE板的電池和GPIO電壓、狀態(tài)及故障讀數。電池電壓測量結果也以圖形方式實(shí)時(shí)呈現。
圖5.BMS測量標簽頁(yè) 3. 參考標簽頁(yè)：GUI包含一個(gè)參考標簽頁(yè)，其中會(huì )顯示電路板概要框圖和原理圖。原理圖、Gerber文件、評估固件、GUI和用戶(hù)指南都是開(kāi)源的，由ADI提供。 結論 能源市場(chǎng)正快速發(fā)展，對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的支持，以加快產(chǎn)品上市速度，避免出現延誤意外。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)全面而靈活的基礎平臺，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： u 同時(shí)評估多個(gè)AFE，因為該解決方案針對的是可堆疊和可擴展架構。不需要額外的isoSPI收發(fā)器板。 u 無(wú)縫調試BMS系統，因為該板搭載了JTAG、狀態(tài)LED以及豐富的連接器和接口。 u 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)靈活的基礎平臺。 參考資料 1 “鋰離子電池儲能解決方案”，ADI公司，2022年�！皟δ芙鉀Q方案”，ADI公司 2 Amina Bahri。AN-2093：ADBMS1818從屬模塊解決方案”，ADI公司，2021年。 關(guān)于作者 Paulo Roque是儲能系統部的系統應用工程師，目前常駐愛(ài)爾蘭利默里克。他于2013年加入ADI公司，先后擔任過(guò)多個(gè)職位，參與過(guò)多種產(chǎn)品的研發(fā)，近期主要專(zhuān)注于磁性產(chǎn)品。Paulo畢業(yè)于愛(ài)爾蘭利默里克大學(xué)，獲機器人學(xué)士學(xué)位。 Amina Joerg是工業(yè)團隊的現場(chǎng)應用工程師，常駐德國。她自2018年起在A(yíng)DI公司工作，歷任多個(gè)職位，目前在能源部擔任系統應用工程師。Amina畢業(yè)于德國肯普滕應用技術(shù)大學(xué)，獲電氣工程碩士學(xué)位。 |
