并網電池陣列是可行的備用和直通電源，滿足其獨特和復雜要求的專用測量IC可確保可靠的系統性能。

大規模電池陣列用于備份和攜帶能量存儲的應用日益受到關注，特斯拉汽車最近宣布推出用于家庭和辦公室的Powerwall系統。這些系統中的電池通過電力線網或其他電源連續充電，然后通過DC / AC逆變器將AC線路電源提供給用戶。

使用電池進行備用電源不是新的，許多系統跨越基本的120 / 240V ac 和幾百瓦的短期臺式PC備份，到數千瓦的特種車輛，如船舶，混合動力汽車或全電動用于電網規模的電信和數據中心備份的車輛高達數百千瓦（見圖1）。然而，雖然電池化學和技術的進步得到了很多關注，但可行的基于電池的安裝的一個同樣關鍵的部分是其電池管理系統（BMS）。

當面臨許多挑戰時實施用于儲能的電池管理系統，他們的解決方案不僅僅是從小規模，低容量的電池組擴展。相反，需要新的和更復雜的策略和關鍵支持組件。

挑戰始于對關鍵電池單元參數的多次測量的高精度和可靠性的需求。此外，設計必須在其子系統中采用模塊化，以便根據應用的特定需求定制配置，以及可能的擴展，整體管理問題和必要的維護。

大規模的運行環境存儲陣列也帶來了其他重大挑戰。盡管存在高電壓/電流逆變器和由此產生的電流尖峰，但BMS必須在極其嘈雜的電氣和通常熱的環境中提供精確，一致的數據。此外，它必須提供有關內部模塊和系統溫度測量的大量細粒度數據，這些數據對于充電，監測和放電至關重要，而不僅僅是一些粗刷聚合值。

由于這些電力系統的基本作用，其運行可靠性本質上是至關重要的。為了將這個容易陳述的目標變為現實，BMS必須確保數據的準確性和完整性，以及持續的健康評估，以便它可以持續采取所需的行動。實現穩健的設計和安全是一個多層次的過程，BMS必須預測問題，執行自檢，并在所有子系統上提供故障檢測，然后在待機和運行模式下實施適當的操作。作為最終的授權，由于高電壓，電流和功率水平，BMS必須滿足許多嚴格的監管標準。

系統設計將概念轉化為現實世界的結果

雖然監控可充電電池的概念很簡單 - 只需將電壓和電流測量電路放在電池端子上 - BMS的實際情況就完全不同了，而且要復雜得多。

堅固的設計始于對各個電池單元進行全面監控，這對模擬功能提出了很高的要求。電池讀數需要毫伏和毫安精度，電壓和電流測量必須時間同步才能計算功率。 BMS還必須評估每個測量的有效性，因為它需要最大化數據完整性，同時還必須識別錯誤或可疑讀數。它不能忽略可能表明潛在問題的異常讀數，但同時，它不應基于有錯誤的數據采取行動。

模塊化BMS架構增強了穩健性，可擴展性和可靠性。模塊化還便于在子部分之間的數據鏈路中使用隔離，以最小化電噪聲的影響并增強安全性。此外，包括CRC（循環冗余校驗）錯誤檢測和鏈路確認協議在內的高級數據編碼格式可確保數據完整性，因此系統管理功能可以確保收到的數據是發送的數據。

結合這些原理的BMS的示例是由Nuvation Engineering（Waterloo，Ontario和Sunnyvale，CA）開發的可擴展和可定制的電池管理系統。 Nuvation BMS設計在網格能量存儲系統和電源備份設備方面取得了巨大成功，其可靠性和堅固性至關重要。這種現成的BMS的關鍵優勢在于其分層的分層拓撲結構（圖2），其中包含三個子系統，每個子系統都具有獨特的功能，如圖3所示。

單元接口提供對堆棧中每個電池單元的嚴密管理和監控;系統根據需要使用盡可能多的單元接口，具體取決于堆棧的數量。這些接口可以菊花鏈式連接，因為單元數量會增加堆棧電壓。

單元接口連接到單個堆棧控制器，監控和管理多個單元接口單元。如果需要，可以將多個堆棧控制器連接在一起，以支持并聯多個堆棧的大型堆棧。

電源接口將堆棧控制器連接到高壓/電流線路，并且是逆變器/充電器的接口。它將堆疊中的高壓和高電流元件與其他模塊進行物理和電氣隔離。它還直接從電池組為BMS供電，因此無需為BMS操作提供任何外部電源。

Nuvation BMS的模塊化和分層架構支持電池組電壓最高可達1250V dc ，使用單元接口模塊，每個模塊最多包含16個單元，最多可堆疊48個單元接口模塊，以及包含多個并行堆棧的電池組。從用戶的角度來看，整個陣列組件作為一個單元進行管理。

從底層開始構建實體設計

模塊化架構，分層等因素拓撲和錯誤感知設計對于Nuvation BMS的完整性和可擴展性至關重要，但還不夠。成功實施需要高性能功能模塊作為物理基礎。

這就是凌力爾特公司的LTC6804多節電池監控器IC（圖4）在Nuvation BMS實施中發揮關鍵作用的原因。它專為滿足BMS系統和多電池設計的需求而量身定制，從提供多達12個串聯電池組的精確測量開始。其測量輸入不以地為參考，大大簡化了這些電池的測量，LTC6804本身可堆疊用于高壓陣列（并且還支持各種電池化學）。它在16位分辨率下提供最大0.033％的誤差，并且僅需290μs即可測量堆棧中的所有12個單元。這種同步的電壓和電流測量對于產生有意義的功率參數分析至關重要。

當然，在板凳原型的良性環境中的性能與在電氣和環境惡劣的真實世界BMS設置中的實際可實現性能不同。 LTC6804的模擬/數字轉換器（ADC）架構旨在通過專為功率逆變器噪聲設計的濾波器來抵抗和最小化這些不利影響。

數據接口使用單個雙絞線隔離SPI接口支持高達1Mb的速率和最遠100米的距離。為了進一步增強系統完整性，IC包括一系列正在進行的子系統測試。作為其可靠性和堅固性的進一步表明，LTC6804符合嚴格的AEC-Q100汽車質量標準。該IC通過特定于應用的設計實現其結果，該設計密切關注BMS問題和環境，包括應用程序的獨特系統級目標及其許多挑戰。

已解決的三個主要問題

LTC6804解決了影響系統性能，轉換精度，單元平衡和連接/數據完整性考慮因素的三個主要方面：

1、轉換精度

由于BMS應用的短期和長期精度要求，它使用埋入式齊納轉換參考而不是帶隙參考。這提供了穩定的低漂移（20ppm /√ kHr ），低溫系數（3ppm /°C），低滯后（20ppm）初級電壓基準以及出色的長期穩定性。這種準確性和穩定性至關重要，因為它是所有后續電池測量的基礎，這些誤差會對采集的數據可信度，算法一致性和系統性能產生累積影響。

雖然精度高參考是確保卓越性能的必要特征，僅憑這一點是不夠的。 A / D轉換器架構及其操作必須滿足電噪聲環境中的規范，這是系統的高電流/電壓逆變器的脈沖寬度調制（PWM）瞬變的結果。準確評估電池的充電狀態（SOC）和健康狀況還需要相關的電壓，電流和溫度測量。

為了在系統噪聲影響BMS性能之前降低系統噪聲，LTC6804轉換器使用delta-sigma拓撲結構，由六個用戶可選擇的濾波器選項輔助，以解決嘈雜的環境問題。 delta-sigma方法減少了電磁干擾（EMI）和其他瞬態噪聲的影響，因為其每次轉換使用大量樣本的性質，具有平均濾波功能。

2、電池平衡

對于使用大型電池組排列為電池組或模塊組的任何系統，電池平衡的需求是不可避免的結果。雖然大多數鋰電池在首次獲得時匹配良好，但隨著老化，它們會失去容量。由于許多因素，例如包裝溫度的梯度，老化過程可能因細胞而異。加劇整個過程，允許超出其SOC限制的單元將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載電流的微小差異會導致電池不平衡。

為了解決電池不平衡問題，LTC6804直接支持被動平衡（使用用戶可設置的定時器） 。無源平衡是一種低成本，簡單的方法，可在電池充電周期內對所有電池的SOC進行標準化。通過從較低容量電池移除電荷，被動平衡確保這些較低容量的電池不會過度充電。 LTC6804還可用于控制有源平衡，這是一種更復雜的平衡技術，可通過充電或放電周期在電池之間傳輸電荷。

無論是采用有源還是無源方式，電池平衡都依賴于高測量精度。隨著測量誤差的增加，系統建立的工作保護帶也必須增加，因此平衡性能的有效性將受到限制。此外，隨著SOC范圍的進一步限制，對這些誤差的靈敏度也增加。 LTC6804的總測量誤差小于1.2mV，完全符合系統級要求。

3、連接/數據完整性注意事項

電池組設計中的模塊化增加了可擴展性，服務能力和外形靈活性。但是，這種模塊化要求封裝之間的數據總線具有電流隔離（無歐姆路徑），因此任何一個封裝中的故障都不會影響系統的其余部分或在總線上施加高電壓。此外，封裝之間的布線必須能夠承受高水平的EMI。

雙線隔離數據總線是以緊湊且經濟高效的方式實現這些目標的可行解決方案。因此，LTC6804提供稱為iso-SPI的隔離SPI互連，它將時鐘，數據輸入，數據輸出和芯片選擇信號編碼為差分脈沖，然后通過變壓器耦合，堅固，可靠且長期建立隔離組件（圖5）。

總線上的設備可以采用菊花鏈配置連接，這大大減少了線束尺寸，并實現了大型高壓電池組的模塊化設計，同時保持高數據速率和低EMI敏感性（圖6）。

為了展示抗噪能力，凌力爾特公司對LTC6804進行了BCI測試。這包括將100mA的RF能量耦合到電池線束中，RF載波從1MHz掃描到400MHz，載波上有1kHz AM調制。 LTC6804數字濾波器的編程頻率為1.7kHz，并且還添加了外部RC濾波器和鐵氧體扼流圈。結果：在整個RF掃描范圍內，電壓讀數誤差低于2mV。

一系列自我評估和自測功能增加了LTC6804對BMS應用的適用性。這些檢查包括開線檢測; ADC時鐘的第二個內部參考;多路復用器自檢，甚至測量其內部電源電壓。該器件專為符合ISO 26262和IEC 61508標準的系統而設計。

結論

備份相關的魅力很多和網格級系統的隨身攜帶用品。這似乎很簡單：只需保持一系列電池充電（無論是來自電網 - 交流線路，還是太陽能，風能或其他可再生能源），然后在需要提供線路等效時使用帶DC / AC逆變器的電池交流電源。

現實情況是，電池的任何行為或性能特征都不簡單，需要仔細控制充電，監控電壓，電流，溫度和放電。隨著功率水平的提高，實用，高效和安全的系統不是一個簡單的設計，因此并網多單元BMS是一個復雜的系統。需要理解和解決許多獨特的問題，安全性也是一個主要問題。

成功且可行的系統設計需要模塊化，結構化，自上而下的架構，由自下而上的優化組件支持例如LTC6804。結合先進，安全的數據采集和控制軟件，結果是一個高性能，可靠的BMS，只需要最少的操作員參與，并且可以自動運行多年的可靠服務。