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儲(chǔ)能系統(tǒng):如何輕松安全地管理電池包

發(fā)布時(shí)間:2024-09-21 來(lái)源:ADI公司 責(zé)任編輯:lina

【導(dǎo)讀】鋰離子(Li-Ion)電池和其他化學(xué)電池不僅在汽車行業(yè)扮演著關(guān)鍵角色,而且也是儲(chǔ)能系統(tǒng)(ESS)的主力軍。例如,超級(jí)工廠每天可以利用可再生能源生產(chǎn)數(shù)兆瓦時(shí)電力。電網(wǎng)如何承受24小時(shí)內(nèi)的各種負(fù)載波動(dòng)?利用基于電池的電網(wǎng)支持儲(chǔ)能系統(tǒng)(BESS)可以有效解決這個(gè)問題。本文討論了電池管理控制器解決方案及其在開發(fā)和部署ESS時(shí)的有效性。


摘要


鋰離子(Li-Ion)電池和其他化學(xué)電池不僅在汽車行業(yè)扮演著關(guān)鍵角色,而且也是儲(chǔ)能系統(tǒng)(ESS)的主力軍。例如,超級(jí)工廠每天可以利用可再生能源生產(chǎn)數(shù)兆瓦時(shí)電力。電網(wǎng)如何承受24小時(shí)內(nèi)的各種負(fù)載波動(dòng)?利用基于電池的電網(wǎng)支持儲(chǔ)能系統(tǒng)(BESS)可以有效解決這個(gè)問題。本文討論了電池管理控制器解決方案及其在開發(fā)和部署ESS時(shí)的有效性。


鋰離子電池挑戰(zhàn)


為了使用鋰離子電池,我們需要電池管理系統(tǒng)(BMS)。鋰離子電池可能很危險(xiǎn),因此BMS必不可缺。如果過度充電,鋰離子電池會(huì)發(fā)生熱失控并爆炸;如果過度放電,電池內(nèi)部會(huì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng),導(dǎo)致其蓄電能力受到永久影響。這兩種情況都會(huì)導(dǎo)致電芯受損,并且可能帶來(lái)安全隱患和嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)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(xiàn)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(yōu)勢(shì),有助于實(shí)現(xiàn)良好平衡。BMS的主要功能包括:


  • 監(jiān)測(cè)電池參數(shù),例如電池電壓、電池溫度以及流入和流出電池的電流。

  • 通過測(cè)量上述參數(shù),并使用庫(kù)侖計(jì)測(cè)量充電和放電電流(單位為安培-秒,即A.s),來(lái)計(jì)算SOC。

  • 電池平衡(被動(dòng)),可確保所有電池的SOC相同。


電池管理系統(tǒng)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(yīng)用,可以測(cè)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(cè)量數(shù)據(jù)并執(zhí)行計(jì)算,以確定SOC和其他參數(shù)。雖然大多數(shù)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(yīng)具備強(qiáng)大的處理能力。BMS反饋的數(shù)據(jù)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(dá)32個(gè)以菊花鏈連接的ADBMS1818組成,電壓可能達(dá)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(jié)果的同時(shí)與系統(tǒng)中的不同BMS IC進(jìn)行通信。MAX32626微控制器是BMS平臺(tái)解決方案的一部分,有兩個(gè)電源,并通過PowerPath?控制器進(jìn)行管理。PowerPath控制器根據(jù)板載電源需求(所連接的外設(shè)和處理負(fù)載等)確定電源優(yōu)先順序。


ADI公司的大多數(shù)監(jiān)控IC都采用適合高壓系統(tǒng)的可堆疊架構(gòu),這意味著多個(gè)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(chǔ)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(lán)色突出顯示。雖然ESCU并未針對(duì)功能安全應(yīng)用進(jìn)行優(yōu)化,但用戶可以實(shí)施保護(hù)電路和/或冗余來(lái)滿足某些安全完整性等級(jí)(SIL)要求。


儲(chǔ)能系統(tǒng):如何輕松安全地管理電池包

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(jì)、isoSPI收發(fā)器)接口對(duì)接。BMS控制板硬件和組成部分的亮點(diǎn)包括:


板載MCU:Arm? Cortex?-M4 MAX32626適合儲(chǔ)能應(yīng)用。該器件以低功耗運(yùn)行,速度非???,內(nèi)部振蕩器的運(yùn)行頻率高達(dá)96 MHz。在低功耗模式下的運(yùn)行速度低至4 MHz,可節(jié)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(shè)接口,包括SPI、UART、I2C、1-Wire?接口、USB 2.0、PWM引擎、10位ADC等,并內(nèi)置了一個(gè)帶高級(jí)安全特性的信任保護(hù)單元(TPU)。


接口:ESCU配備了多個(gè)接口,


■包括SPI、I2C和CAN。

■isoSPI用于安全穩(wěn)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(diào)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(kuò)展板、傳感器板,甚至Proto Shield)。


isoSPI收發(fā)器:包含2個(gè)LTC6820,利用單個(gè)變壓器實(shí)現(xiàn)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(jī)MCU交替使用不同通信端口以監(jiān)視信號(hào)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(shù)據(jù)傳輸速率,并支持新款A(yù)DI BMS IC中的低功耗電池監(jiān)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(yōu)先級(jí)電路采用LTC4415,根據(jù)控制器和外設(shè)側(cè)的負(fù)載來(lái)選擇電源(DC插孔或USB-C輸入)。例如,如果連接并運(yùn)行Arduino擴(kuò)展板,則該板的功耗將提高,超過USB-C所能提供的功率,此時(shí)LTC4415的理想二極管“或”架構(gòu)將執(zhí)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),這些電壓軌可通過跳線進(jìn)行配置。

u安全和保護(hù):MAX32626可控制板載隔離柵極驅(qū)動(dòng)器ADuM4120,該驅(qū)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ADuM4120打開和關(guān)閉MOSFET,進(jìn)而斷開接觸器和電池連接,起到保護(hù)作用。


圖2中的概要框圖突出了ESCU的主要元件。


儲(chǔ)能系統(tǒng):如何輕松安全地管理電池包

圖2.ESCU的詳細(xì)硬件框圖


PCB尺寸較小,為10 cm×9 cm。主要接口如圖3所示。


儲(chǔ)能系統(tǒng):如何輕松安全地管理電池包

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(gè)ADBMS器件連接到菊花鏈。


GUI通過定義明確且可輕松擴(kuò)展的開源通信協(xié)議與MCU進(jìn)行通信。該協(xié)議定義了通過串行端口發(fā)送到MCU的消息。這些消息受到循環(huán)冗余校驗(yàn)(CRC)保護(hù),支持錯(cuò)誤檢測(cè)。用戶可通過消息,有序地與MCU連接和斷開連接,設(shè)置系統(tǒng)參數(shù),執(zhí)行測(cè)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(yīng)用代碼利用空閑RTOS線程執(zhí)行并行操作。這種做法很有用,因?yàn)闇y(cè)量線程可以與故障檢查線程并行運(yùn)行,從而可以實(shí)現(xiàn)故障間隔時(shí)間目標(biāo)。


我們?yōu)锽MS控制板提供了用Python編寫的軟件界面。主要的用戶內(nèi)容包括:


1.系統(tǒng)標(biāo)簽頁(yè):這是應(yīng)用程序的主登陸頁(yè)面(圖4)。用戶可在此建立串行PC通信,選擇連接的AFE板數(shù)量,以及確定用于過壓和欠壓檢查的測(cè)量間隔和閾值。點(diǎn)擊連接后,用戶即可開始測(cè)量。兩個(gè)系統(tǒng)狀態(tài)燈都變成綠色(如圖4所示)時(shí),會(huì)根據(jù)用戶輸入的電路板數(shù)量而顯示相應(yīng)的測(cè)量標(biāo)簽頁(yè)。


儲(chǔ)能系統(tǒng):如何輕松安全地管理電池包

圖4.用戶應(yīng)用程序的系統(tǒng)標(biāo)簽頁(yè)


2.BMS標(biāo)簽頁(yè)顯示ESCU處理的每個(gè)連接AFE的測(cè)量結(jié)果,如圖5所示。BMS標(biāo)簽頁(yè)包含AFE板的電池和GPIO電壓、狀態(tài)及故障讀數(shù)。電池電壓測(cè)量結(jié)果也以圖形方式實(shí)時(shí)呈現(xiàn)。


儲(chǔ)能系統(tǒng):如何輕松安全地管理電池包

圖5.BMS測(cè)量標(biāo)簽頁(yè)


3.參考標(biāo)簽頁(yè):GUI包含一個(gè)參考標(biāo)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(píng)估固件、GUI和用戶指南都是開源的,由ADI提供。


結(jié)論


能源市場(chǎng)正快速發(fā)展,對(duì)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(dāng)?shù)闹С郑约涌飚a(chǎn)品上市速度,避免出現(xiàn)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(guān)鍵特性,同時(shí)提供了一個(gè)全面而靈活的基礎(chǔ)平臺(tái),為未來(lái)的進(jìn)一步開發(fā)鋪平了道路。


借助ADI公司的BMS控制器解決方案,用戶將能夠:


  • 同時(shí)評(píng)估多個(gè)AFE,因?yàn)樵摻鉀Q方案針對(duì)的是可堆疊和可擴(kuò)展架構(gòu)。不需要額外的isoSPI收發(fā)器板。

  • 無(wú)縫調(diào)試BMS系統(tǒng),因?yàn)樵摪宕钶d了JTAG、狀態(tài)LED以及豐富的連接器和接口。

  • 利用開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(chǔ)平臺(tái)。


參考資料


1 “鋰離子電池儲(chǔ)能解決方案”,ADI公司,2022年?!皟?chǔ)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。

(來(lái)源:ADI公司,作者:Paulo Roque,系統(tǒng)應(yīng)用工程師,Amina Joerg,現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用工程師


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