本文將解釋最先進(jìn)的電池監(jiān)控系統(tǒng)（包括電池平衡和隔離通信網(wǎng)絡(luò)）如何利用新型鋰電池化學(xué)物質(zhì)的優(yōu)勢。

抽象的

電池監(jiān)控系統(tǒng)是不同市場的基本推動力。電池在一系列應(yīng)用中發(fā)揮著關(guān)鍵作用，從在電動汽車中加倍努力到為智能電網(wǎng)存儲可再生能源。相同和相似的電池技術(shù)用于醫(yī)療設(shè)備，以提高操作安全性并在醫(yī)院內(nèi)自由移動儀器。所有這些應(yīng)用都依靠電池運(yùn)行，這些電池需要精確高效的半導(dǎo)體來監(jiān)控、平衡、保護(hù)和通信。本文將解釋最先進(jìn)的電池監(jiān)控系統(tǒng)（包括電池平衡和隔離通信網(wǎng)絡(luò)）如何利用新型鋰電池化學(xué)物質(zhì)的優(yōu)勢。使用創(chuàng)新的集成電路可以提高可靠性并將電池壽命延長 30%，

醫(yī)療應(yīng)用中使用的電池需要在其通常使用的所有應(yīng)用中滿足非常高的可靠性、效率和安全標(biāo)準(zhǔn)：患者的便攜式系統(tǒng)，如胸部按壓系統(tǒng)、醫(yī)院急診室設(shè)備、電動醫(yī)療推車和床、便攜式超聲波機(jī)器，遠(yuǎn)程監(jiān)控，以及市場上的新人，儲能系統(tǒng)（ESS）。

儲能系統(tǒng)與患者沒有直接聯(lián)系，也不是由醫(yī)生操作。它們是不間斷電源 （UPS） 的下一步。UPS 傳統(tǒng)上被用作最關(guān)鍵應(yīng)用（例如，急診室設(shè)備、IT 網(wǎng)絡(luò)關(guān)鍵基礎(chǔ)設(shè)施）的備用電源。在新型鋰電池的支持下，醫(yī)院的儲能系統(tǒng)正在涵蓋越來越多的功能。它們正在與醫(yī)院電網(wǎng)完全集成，帶來以下優(yōu)勢：

為整個設(shè)施提供完整的備用電源，而不僅僅是一小部分關(guān)鍵設(shè)施，以及防止停電、電網(wǎng)電力/電壓質(zhì)量差以及減少應(yīng)急柴油發(fā)電機(jī)的使用。借助兆瓦時 （MWh） 規(guī)模的 ESS，醫(yī)院即使在長時間停電期間也可以運(yùn)行，并且可以參與電網(wǎng)穩(wěn)定工作。

電費(fèi)的經(jīng)濟(jì)效益。借助 ESS，醫(yī)院可以直接控制電力的使用情況并減少高電力高峰需求，從而降低公用事業(yè)的費(fèi)用。

醫(yī)院通常擁有相當(dāng)大的屋頂場地，有利于安裝光伏 （PV） 系統(tǒng)來發(fā)電。與 ESS 相結(jié)合的光伏系統(tǒng)允許存儲和自用發(fā)電，同時還提供經(jīng)濟(jì)效益和減少碳足跡。

從汽車到工業(yè)再到醫(yī)療保健，鋰基化學(xué)物質(zhì)現(xiàn)在是各種市場中使用的電池的最先進(jìn)技術(shù)。不同類型的鋰電池具有不同的優(yōu)勢，以更好地適應(yīng)各種應(yīng)用和產(chǎn)品設(shè)計的功率要求。例如，LiCoO2（鈷酸鋰）具有非常高的比能量，這使其適用于便攜式產(chǎn)品；LiMn2O4（鋰錳氧化物）具有極低的內(nèi)阻，可實現(xiàn)快速充電和大電流放電，這意味著它是調(diào)峰儲能應(yīng)用的理想選擇。LiFePO4（磷酸鐵鋰）更能耐受完全充電條件，并且可以長時間保持在高電壓下。這使其成為需要在停電期間工作的大型儲能系統(tǒng)的最佳選擇。缺點(diǎn)是較高的自放電率，但這與上述存儲實現(xiàn)無關(guān)。

應(yīng)用的不同需求需要多種電池類型。例如，汽車應(yīng)用需要高可靠性和良好的充電和放電速度，而醫(yī)療保健應(yīng)用則需要高峰值電流可持續(xù)性以提高效率和延長使用壽命。然而，所有這些解決方案的共同點(diǎn)是，各種鋰化學(xué)物質(zhì)在標(biāo)稱電壓范圍內(nèi)都具有非常平坦的放電曲線。雖然在標(biāo)準(zhǔn)電池中，我們看到電壓降在 500 mV 到 1 V 的范圍內(nèi)，但在磷酸鐵鋰 （LiFePO4） 或鈷酸鋰 （LiCoO2） 等先進(jìn)鋰電池中，放電曲線顯示出電壓下降的平臺在 50 mV 至 200 mV 的范圍內(nèi)。

鋰電池放電曲線

電壓曲線的平坦性在連接到電池電壓軌的 IC 電源管理鏈中具有巨大的優(yōu)勢：DC-DC 轉(zhuǎn)換器可以設(shè)計為在較小的輸入電壓范圍內(nèi)以最大效率點(diǎn)運(yùn)行。從已知的 VIN 轉(zhuǎn)換為非常接近的 VOUT，系統(tǒng)的電源鏈可以設(shè)計為具有理想的降壓和升壓轉(zhuǎn)換器占空比，從而在所有工作條件下實現(xiàn) 》99% 的效率。此外，電池充電器可以完美地瞄準(zhǔn)充電電壓，并根據(jù)穩(wěn)定的工作電壓確定負(fù)載尺寸，以提高最終應(yīng)用的精度，例如遠(yuǎn)程監(jiān)控或患者體內(nèi)電子設(shè)備。在舊化學(xué)品或非平坦放電曲線的情況下，

平坦放電曲線的主要缺點(diǎn)是電池的充電狀態(tài) （SOC） 和健康狀態(tài) （SOH） 額定值更難確定。必須以非常高的精度計算 SOC，以確保電池正確充電和放電。過度充電會帶來安全問題并產(chǎn)生化學(xué)降解和短路，從而導(dǎo)致火災(zāi)和氣體危害。過度放電會損壞電池并將電池壽命縮短 50% 以上。SOH 提供有關(guān)電池狀態(tài)的信息，以幫助防止更換好電池并在問題出現(xiàn)之前監(jiān)控壞電池的狀態(tài)。主微控制器實時分析 SOC 和 SOH 數(shù)據(jù)，調(diào)整充電算法，告知用戶電池的潛力（例如，

通過對具有陡峭放電曲線的非常舊的電池進(jìn)行成像，通過在短時間內(nèi)測量電壓降的增量并了解電池電壓的絕對值，更容易計算該電池的充電狀態(tài)。對于新的鋰電池，進(jìn)行這種測量所需的精度要高幾個數(shù)量級，因為在給定的時間范圍內(nèi)電壓降要小得多。

對于 SOH，舊電池以更快、更可預(yù)測的方式放電：它們的電壓放電曲線變得更加陡峭，無法達(dá)到目標(biāo)充電電壓。新的鋰電池將保持相同的良好行為更長時間，但最終會隨著更異常的行為而退化，并在它們接近使用壽命或損壞時迅速改變其阻抗和放電曲線。必須特別注意溫度測量，理想情況下是在每個電池上，將 SOC 和 SOH 算法與此信息集成，以使其更加準(zhǔn)確。

精確可靠的 SOC 和 SOH 計算有助于在最佳情況下將電池壽命從 10 年延長到 20 年，并且通常可以提高 30% 的壽命，從而將儲能系統(tǒng)的總擁有成本降低 30% 以上，包括維護(hù)費(fèi)用。這與 SOC 信息的更高準(zhǔn)確性一起，避免了可能快速耗盡電池的過度充電或過度放電情況，最大限度地減少短路、火災(zāi)和其他危險情況的可能性，幫助利用電池中的所有能量，并實現(xiàn)充電以最好、最有效的方式使用電池。

本文提出的LTC6813電池管理解決方案 （BMS） 可用于便攜式超聲機(jī)等醫(yī)療保健設(shè)備和大規(guī)模（兆瓦/小時）儲能系統(tǒng)（用于醫(yī)院、工廠、電網(wǎng)穩(wěn)定、電動汽車充電基礎(chǔ)設(shè)施、和住宅單元），以及工業(yè)機(jī)器人和車輛。ADI 技術(shù)的便攜性在可靠性和安全性方面帶來了巨大優(yōu)勢，因為它設(shè)計用于在不同的惡劣環(huán)境中工作，并且符合從汽車 ASIL 到工業(yè) SIL 的各種功能安全標(biāo)準(zhǔn)（例如，VDE AR 2510-2/- 50、IEC EN 61508 等）。

擁有最高效和最可靠的電池監(jiān)控系統(tǒng)的一種新的獨(dú)特解決方案涉及將 18 節(jié)電池監(jiān)控器和平衡 IC 與微控制器與 SPI 從機(jī)隔離接口相結(jié)合。多節(jié)電池組監(jiān)視器可測量多達(dá) 18 個串聯(lián)電池，總測量誤差小于 2.2 mV。0 V 至 5 V 的電池測量范圍使其適用于大多數(shù)電池化學(xué)成分。所有 18 個電池都可以在 290 μs 內(nèi)完成測量，并且可以選擇較低的數(shù)據(jù)采集速率以實現(xiàn)高降噪。多個堆棧監(jiān)控設(shè)備可以串聯(lián)連接，允許同時監(jiān)控長的高壓電池組。每個堆棧監(jiān)視器都有一個 isoSPI? 接口，用于高速、RF 免疫、長距離通信。多個設(shè)備以菊花鏈形式連接，一個主機(jī)處理器連接所有設(shè)備。該菊花鏈可以雙向操作，確保通信完整性，即使在通信路徑出現(xiàn)故障的情況下也是如此。

IC 可以直接由電池組或隔離電源供電。該 IC 包括每個電池的被動平衡，每個電池都有單獨(dú)的 PWM 占空比控制。其他功能包括板載 5 V 穩(wěn)壓器、9 條通用 I/O 線以及電流消耗降至 6 μA 的睡眠模式。

LTC6813 應(yīng)用原理圖

由于 BMS 應(yīng)用的短期和長期精度要求，它使用掩埋齊納轉(zhuǎn)換基準(zhǔn)而不是帶隙基準(zhǔn)。這提供了穩(wěn)定、低漂移 （20 ppm/?

）、低溫度系數(shù) （3 ppm/°C）、低滯后 （20 ppm） 初級電壓基準(zhǔn)以及出色的長期穩(wěn)定性。這種準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性至關(guān)重要，因為它是所有后續(xù)電池單元測量的基礎(chǔ)，并且這些誤差對獲取的數(shù)據(jù)可信度、算法一致性和系統(tǒng)性能具有累積影響。

盡管高精度參考是確保卓越性能的必要功能，但僅此還不夠。模數(shù)轉(zhuǎn)換器架構(gòu)及其操作必須滿足電噪聲環(huán)境中的規(guī)范，這是系統(tǒng)高電流/電壓逆變器的脈寬調(diào)制 （PWM） 瞬態(tài)的結(jié)果。對電池充電狀態(tài)和健康狀況的準(zhǔn)確評估還需要相關(guān)的電壓、電流和溫度測量。

為了在系統(tǒng)噪聲影響 BMS 性能之前降低系統(tǒng)噪聲，堆棧監(jiān)視器轉(zhuǎn)換器使用 ∑-Δ 拓?fù)洌撏負(fù)溆闪鶄€用戶可選擇的濾波器選項輔助，以應(yīng)對嘈雜的環(huán)境。∑-Δ 方法降低了電磁干擾 （EMI） 和其他瞬態(tài)噪聲的影響，其本質(zhì)是每次轉(zhuǎn)換使用許多樣本，并具有平均濾波功能。

在任何使用按電池組或模塊組排列的大型電池組的系統(tǒng)中，電池平衡的需求是不可避免的結(jié)果，例如用于為醫(yī)院微電網(wǎng)和子電網(wǎng)供電的大型儲能單元。雖然大多數(shù)鋰電池在首次購買時匹配良好，但隨著時間的推移它們會失去容量。由于幾個因素，例如電池組溫度的梯度，老化過程可能因電池而異。使整個過程更加惡化的是，如果電池能夠超出其 SOC 限制運(yùn)行，則會過早老化并失去額外的容量。這些容量差異，加上自放電和負(fù)載電流的微小差異，導(dǎo)致電池不平衡。

為了解決電池不平衡問題，堆棧監(jiān)視器 IC 直接支持被動平衡（帶有用戶可設(shè)置的定時器）。被動平衡是一種低成本、簡單的方法，可在電池充電周期內(nèi)對所有電池的 SOC 進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化。通過從較低容量的電池中移除電荷，被動平衡可確保這些較低容量的電池不會過度充電。該 IC 還可用于控制主動平衡，這是一種更復(fù)雜的平衡技術(shù)，可通過充電或放電循環(huán)在電池之間轉(zhuǎn)移電荷。

無論是使用主動方法還是被動方法，電池平衡都依賴于高測量精度。隨著測量誤差的增加，系統(tǒng)建立的工作保護(hù)帶也必須增加，因此平衡性能的有效性將受到限制。此外，由于 SOC 范圍受到限制，對這些錯誤的敏感性也會增加。小于 1.2 mV 的總測量誤差完全符合電池監(jiān)控系統(tǒng)的系統(tǒng)級要求。

在儲能系統(tǒng)中，必須有一個通信回路來連接所有電池單元。該循環(huán)將系統(tǒng)電池中的數(shù)據(jù)傳輸?shù)交谠频哪茉垂芾硭惴ǎ撍惴ǜ櫝潆姾头烹娛录源_定最大化電池使用或在斷電情況下保持最高容量電池充滿電的最佳方式。

ADI 的 LTC681x 和 LTC680x 系列代表了最先進(jìn)的電池組監(jiān)視器。18 通道版本稱為 LTC6813。

電池組監(jiān)控設(shè)備需要與主單元通信，其中微控制器或處理器計算 SOC 和 SOH 值并調(diào)節(jié)充電和放電曲線。各種形式的互連都是可能的，其中隔離通信通道更適合高壓應(yīng)用，例如儲能系統(tǒng)（400 V 至 1500 V）和具有高容量電池（40 V 至 200 V）的便攜式設(shè)備。

當(dāng)與LTC6820 isoSPI 通信接口結(jié)合使用時，內(nèi)置在 LTC6813 電池組監(jiān)視器中的isoSPI功能可實現(xiàn)跨高壓勢壘的安全和穩(wěn)健的信息傳輸。isoSPI 在通過串聯(lián)電池產(chǎn)生數(shù)百伏電壓的儲能系統(tǒng)中特別有用，這些系統(tǒng)需要完全絕緣隔離以最大限度地減少對人員的危害。

LTC6813 與 LTC6820 的隔離連接

在這些使用超過 18 個單元的存儲系統(tǒng)中，需要將多個 LTC6813 BMS 板連接在一起。在這里，多個相同 PCB 的穩(wěn)健互連（每個都包含一個 LTC6813）被配置為在菊花鏈中運(yùn)行。微處理器位于單獨(dú)的 PCB 上。為了在微處理器 PCB 和第一個 LTC6813 PCB 之間實現(xiàn) 2 線隔離，使用了 LTC6820 支持 IC。當(dāng)只需要一個LTC6813-1時，如果第二個 isoSPI 端口（端口 B）被適當(dāng)?shù)仄煤投私樱涂梢杂米鲉蝹€（非菊花鏈?zhǔn)剑┢骷?/p>

具有平衡和通信功能的電池組監(jiān)視器的主要設(shè)計挑戰(zhàn)是創(chuàng)建無噪聲的 PCB 布局設(shè)計，其關(guān)鍵走線遠(yuǎn)離噪聲源，如開關(guān)電源，為電池組監(jiān)視器提供清晰的信號。借助 ADI 解決方案，堆棧監(jiān)視器的高準(zhǔn)確度和精確度有助于優(yōu)化已經(jīng)令人滿意的設(shè)計。然后電池將得到有效使用，它們的使用壽命將延長 30%，并且它們將以更安全的方式運(yùn)行。

為了支持客戶設(shè)計其最終產(chǎn)品，ADI 為電池監(jiān)控設(shè)備提供了全系列的評估系統(tǒng)和平臺，以及適應(yīng)所有需求的完整變體組合。

審核編輯：郭婷