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儲能系統：如何輕松安全地管理電池包
前言：
作者：Amina Joerg，現場應用工程師；Paulo Roque，系統應用工程師
摘要
鋰離子(Li-Ion)電池和其他化學電池不僅在汽車行業扮演著關鍵角色，而且也是儲能系統(ESS)的主力軍。例如，超級工廠每天可以利用可再生能源生產數兆瓦時電力。電網如何承受24小時內的各種負載波動？利用基于電池的電網支持儲能系統(BESS)可以有效解決這個問題。本文討論了電池管理控制器解決方案及其在開發和部署ESS時的有效性。
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。如果過度充電，鋰離子電池會發生熱失控并爆炸；如果過度放電，電池內部會發生化學反應，導致其蓄電能力受到永久影響。這兩種情況都會導致電芯受損，并且可能帶來安全隱患和嚴重的經濟損失。此外，鋰離子電池常常堆疊起來，形成電池包，所以也需要使用BMS。堆疊電池通常采用串聯方式充電，也就是將一個恒定電流源與電池堆并聯。然而，這種方法會帶來一個難題：如何實現平衡充電，即讓所有電池處于相同的荷電狀態(SOC)。如何在避免電池堆的任何一個電池過度充電或過度放電的前提下，將所有電池完全充電或放電？一款出色的BMS包含眾多優勢，有助于實現良好平衡。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），來計算SOC。
u 電池平衡（被動），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非常適合工業和BESS應用，可以測量由18個電池組成的電池堆。任何ADBMS IC都需要微控制器來操作。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。例如某些電池堆由多達32個以菊花鏈連接的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與系統中的不同BMS IC進行通信。MAX32626微控制器是BMS平臺解決方案的一部分，有兩個電源，并通過PowerPath™控制器進行管理。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，這意味著多個模擬前端(AFE)可以通過菊花鏈方式連接。因此，BMS控制板（又稱儲能控制器單元(ESCU）)的一大特性在于可以同時與多個AFE協同工作。
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行優化，但用戶可以實施保護電路和/或冗余來滿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收發器）接口對接。BMS控制板硬件和組成部分的亮點包括：
u 板載MCU：Arm® Cortex®-M4 MAX32626適合儲能應用。該器件以低功耗運行，速度非常快，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，并有一個已使能的實時時鐘(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，并內置了一個帶高級安全特性的信任保護單元(TPU)。
u 接口：ESCU配備了多個接口，
■ 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，例如以太網擴展板、傳感器板，甚至Proto Shield）。
u isoSPI收發器：包含2個LTC6820，利用單個變壓器實現與菊花鏈連接的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。未來該板將包含ADBMS6822（雙isoSPI收發器），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DC插孔或連接到PC的USB通過USB 2.0接口（可使用USB-C連接器）供電。
■ 優先級電路采用LTC4415，根據控制器和外設側的負載來選擇電源（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USB-C所能提供的功率，此時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），這些電壓軌可通過跳線進行配置。
u 安全和保護：MAX32626可控制板載隔離柵極驅動器ADuM4120，該驅動器可控制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ADuM4120打開和關閉MOSFET，進而斷開接觸器和電池連接，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源圖形用戶界面(GUI)。該GUI最多支持將三個ADBMS器件連接到菊花鏈。
GUI通過定義明確且可輕松擴展的開源通信協議與MCU進行通信。該協議定義了通過串行端口發送到MCU的消息。這些消息受到循環冗余校驗(CRC)保護，支持錯誤檢測。用戶可通過消息，有序地與MCU連接和斷開連接，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入ADBMS器件。MCU中的應用代碼利用空閑RTOS線程執行并行操作。這種做法很有用，因為測量線程可以與故障檢查線程并行運行，從而可以實現故障間隔時間目標。
我們為BMS控制板提供了用Python編寫的軟件界面。主要的用戶內容包括：
1. 系統標簽頁：這是應用程序的主登陸頁面（圖4）。用戶可在此建立串行PC通信，選擇連接的AFE板數量，以及確定用于過壓和欠壓檢查的測量間隔和閾值。點擊連接后，用戶即可開始測量。兩個系統狀態燈都變成綠色（如圖4所示）時，會根據用戶輸入的電路板數量而顯示相應的測量標簽頁。
圖4.用戶應用程序的系統標簽頁
2. BMS標簽頁顯示ESCU處理的每個連接AFE的測量結果，如圖5所示。BMS標簽頁包含AFE板的電池和GPIO電壓、狀態及故障讀數。電池電壓測量結果也以圖形方式實時呈現。
圖5.BMS測量標簽頁
3. 參考標簽頁：GUI包含一個參考標簽頁，其中會顯示電路板概要框圖和原理圖。原理圖、Gerber文件、評估固件、GUI和用戶指南都是開源的，由ADI提供。
結論
能源市場正快速發展，對BESS的需求十分迫切。業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，以加快產品上市速度，避免出現延誤意外。ADI公司的ESCU可全面滿足這一需求。該板具備BESS所需的關鍵特性，同時提供了一個全面而靈活的基礎平臺，為未來的進一步開發鋪平了道路。
借助ADI公司的BMS控制器解決方案，用戶將能夠：
u 同時評估多個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收發器板。
u 無縫調試BMS系統，因為該板搭載了JTAG、狀態LED以及豐富的連接器和接口。
u 利用開源硬件和軟件縮短產品上市時間。
ADI公司的BMS控制板具備BESS所需的關鍵特性，并為未來的發展提供了一個靈活的基礎平臺。
參考資料
1 “鋰離子電池儲能解決方案”，ADI公司，2022年。“儲能解決方案”，ADI公司
2 Amina Bahri。AN-2093：ADBMS1818從屬模塊解決方案”，ADI公司，2021年。
關于ADI
Analog Devices, Inc. (NASDAQ: ADI)是全球領先的半導體公司，致力于在現實世界與數字世界之間架起橋梁，以實現智能邊緣領域的突破性創新。ADI提供結合模擬、數字和軟件技術的解決方案，推動數字化工廠、汽車和數字醫療等領域的持續發展，應對氣候變化挑戰，并建立人與世界萬物的可靠互聯。ADI公司2023財年收入超過120億美元，全球員工約2.6萬人。攜手全球12.5萬家客戶，ADI助力創新者不斷超越一切可能。更多信息，請訪問www.analog.com/cn
關于作者
Paulo Roque是儲能系統部的系統應用工程師，目前常駐愛爾蘭利默里克。他于2013年加入ADI公司，先后擔任過多個職位，參與過多種產品的研發，近期主要專注于磁性產品。Paulo畢業于愛爾蘭利默里克大學，獲機器人學士學位。
Amina Joerg是工業團隊的現場應用工程師，常駐德國。她自2018年起在ADI公司工作，歷任多個職位，目前在能源部擔任系統應用工程師。Amina畢業于德國肯普滕應用技術大學，獲電氣工程碩士學位。
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