電池監控系統是不同市場的基本推動因素。電池在一系列應用中發揮著關鍵作用，從電動汽車的額外里程到為智能電網存儲可再生能源。醫療設備中使用相同和相似的電池技術，以提高操作安全性，并可以自由地在醫院中移動儀器。所有這些應用都使用需要精確高效的半導體來監控、平衡、保護和通信的電池。本文將解釋最先進的電池監控系統（包括電池平衡和隔離通信網絡）如何利用新鋰電池化學成分的優勢。使用創新的集成電路可實現更高的可靠性和30%的電池壽命，特別是對于大規模儲能系統。

醫療應用中使用的電池需要滿足所有通常使用的可靠性、效率和安全性的極高標準：患者的便攜式系統，如胸外按壓系統、醫院急診室設備、動力醫療推車和病床、便攜式超聲機、遠程監控，以及市場上的新來者儲能系統 （ESS）。

儲能系統與患者沒有直接聯系，也不是由醫生操作的。它們是不間斷電源 （UPS） 的下一步。UPS傳統上被用作最關鍵應用（例如，急診室設備，IT網絡關鍵基礎設施）的備用電源。醫院的儲能系統正在通過新的鋰基電池實現越來越多的功能。它們正在與醫院電網完全集成，帶來以下優勢：

為整個設施提供完整的備用電源，而不僅僅是一小部分關鍵設施，并防止停電、電網電源/電壓質量差以及減少應急柴油發電機的使用。借助兆瓦時（MWh）規模的ESS，醫院即使在長時間停電的情況下也可以運營，并且可以參與電網穩定。

電費的經濟效益。借助ESS，醫院可以直接控制電力的使用曲線并減少高功率峰值需求，從而降低公用事業的賬單。

醫院通常擁有相當大的屋頂空間，這有利于安裝光伏（PV）系統來發電。光伏系統與ESS相結合，可以存儲和自用產生的電力，同時還提供經濟效益并減少碳足跡。

鋰基化學品現在是從汽車到工業再到醫療保健等各種市場中使用的電池的最新技術。不同類型的鋰電池具有不同的優勢，可以更好地適應各種應用和產品設計的功率要求。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品;林錳2O4（鋰錳氧化物）具有非常低的內阻，可實現快速充電和高電流放電，這意味著它是調峰儲能應用的不錯選擇。二氟乙烯4（磷酸鐵鋰）對完全充電條件的耐受性更強，并且可以長時間保持高電壓。這導致它是需要在停電期間工作的大型儲能系統的最佳候選者。缺點是較高的自放電率，但這與上述存儲實現無關。

應用的不同需求需要多種電池類型。例如，汽車應用需要高可靠性和良好的充電和放電速度，而醫療保健應用需要高峰值電流可持續性，以實現效率和長壽命。然而，所有這些解決方案的共同點是，各種鋰化學成分在標稱電壓范圍內都具有非常平坦的放電曲線。

在標準電池中，我們看到電壓降在 500 mV 至 1 V 的范圍內，而在先進的鋰電池中，例如磷酸鐵鋰 （LiFePO4）或鈷酸鋰（LiCoO2），放電曲線顯示電壓降在50 mV至200 mV范圍內的平臺。

圖2.鋰電池放電曲線。

電壓曲線的平坦度在與電池電壓軌相連的IC的電源管理鏈中具有巨大的優勢：DC-DC轉換器可以設計為在小輸入電壓范圍內以最大效率點工作。從已知 V 轉換在到非常接近的V外，系統的電源鏈可以設計為具有理想的降壓和升壓轉換器占空比，以便在所有工作條件下實現>99%的效率。此外，電池充電器可以完美地瞄準充電電壓，并根據穩定的工作電壓確定負載尺寸，以提高最終應用的精度，例如遠程監控或患者體內電子設備。在舊的化學成分或非平坦的放電曲線的情況下，由電池操作的DC-DC轉換將以較低的效率工作，這導致電池持續時間縮短（-20%），或者，當連接到醫療便攜式設備時，由于額外的功耗，需要更頻繁地充電。

平坦放電曲線的主要缺點是電池的充電狀態（SOC）和健康狀態（SOH）額定值更難確定。SOC必須以非常高的精度計算，以確保電池正確充電和放電。過度充電會帶來安全問題，并產生化學降解和短路，從而導致火災和氣體危害。過度放電會損壞電池，使電池壽命縮短50%以上。SOH 提供有關電池狀態的信息，以幫助防止更換完好的電池，并在出現問題之前監控壞電池的狀態。主微控制器實時分析SOC和SOH數據，調整充電算法，告知用戶電池的潛力（例如，如果電池準備好在斷電時進行大電流深度放電），并確保在大型儲能系統中，狀況不佳的電池和狀況良好的電池之間的平衡是最佳的，以延長電池的總壽命。

通過對具有陡峭放電曲線的非常舊的電池進行成像，通過在短時間內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。對于新的鋰基電池，進行此測量所需的精度要高出幾個數量級，因為在給定的時間范圍內壓降要小得多。

對于SOH，舊電池以更快，更可預測的方式放電：它們的電壓放電曲線變得更加陡峭，無法達到目標充電電壓。新的鋰電池將保持相同的良好行為更長時間，但最終會以更特殊的行為退化，并在接近使用壽命或損壞時迅速改變其阻抗和放電曲線。必須格外小心溫度測量，最好是在每個電池上，將SOC和SOH算法與此信息集成在一起，以使其更準確。

在最佳情況下，精確可靠的 SOC 和 SOH 計算有助于將電池壽命從 10 年延長到 20 年，并且通常會導致 30% 的使用壽命延長，從而在包括維護成本后將儲能系統的總擁有成本降低 30% 以上。這與SOC信息的更高精度相結合，避免了可能快速耗盡電池的過度充電或過度放電情況;盡量減少短路、火災和其他危險情況的機會;幫助使用電池中的所有能量;并以最佳、最有效的方式為電池充電。

本文提出的 LTC6813 電池管理解決方案 （BMS） 可用于便攜式超聲機等醫療保健設備和大規模（兆瓦/小時）儲能系統（用于醫院、工廠、電網穩定、電動汽車充電基礎設施和住宅單元）以及工業機器人和車輛。ADI技術的便攜性在可靠性和安全性方面帶來了巨大的優勢，因為它設計用于在不同的惡劣環境中工作，并符合從汽車ASIL到工業SIL（例如VDE AR 2510-2/-50、IEC EN 61508等）的各種功能安全標準。

圖3.LTC6813應用原理圖。

實現最高效、最可靠的電池監控系統的一種新的獨特解決方案是將18節電池監控器和平衡IC與微控制器與SPI從機隔離接口相結合。多節電池組監視器可測量多達 18 個串聯連接的電池單元，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電池化學成分。所有18個電池的測量時間均為290 μs，并且可以選擇較低的數據采集速率以實現高降噪。多個堆棧監控設備可以串聯連接，允許同時監控長高壓電池串。每個堆棧監視器都有一個 isoSPI?用于高速、射頻免疫、長距離通信的接口。多個設備以菊花鏈形式連接，所有設備都有一個主機處理器連接。該菊花鏈可以雙向操作，即使在通信路徑出現故障時也能確保通信完整性。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，以及每個電池的單獨 PWM 占空比控制。其他特性包括板載5 V穩壓器、9條通用I/O線路以及電流消耗降至6 μA的睡眠模式。

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基準而不是帶隙基準。這提供了穩定的低漂移 （20 ppm/√kHr）、低溫度系數 （3 ppm/°C）、低遲滯 （20 ppm） 初級基準電壓源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單元測量的基礎，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。

盡管高精度基準電壓源是確保卓越性能的必要功能，但僅此還不夠。模數轉換器架構及其工作必須滿足電氣噪聲環境中的規范，這是系統高電流/電壓逆變器的脈寬調制（PWM）瞬變的結果。準確評估電池的充電狀態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，堆棧監控器轉換器使用Σ-Δ拓撲，該拓撲由六個用戶可選的濾波器選項輔助，以應對嘈雜的環境。Σ-Δ方法降低了電磁干擾（EMI）和其他瞬態噪聲的影響，因為它的性質是每次轉換使用許多樣本，并具有平均濾波功能。

在任何使用排列為電池或模塊組的大型電池組的系統中，對電池平衡的需求都是不可避免的結果，例如用于為醫院微電網和子電網供電的大型儲能單元。盡管大多數鋰電池在首次獲得時匹配良好，但隨著年齡的增長，它們會失去容量。由于多種因素，例如電池組溫度梯度，老化過程可能因電池而異。加劇整個過程的是，可以超出其SOC限制運行的電池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，導致電池不平衡。

為了解決電池不平衡問題，堆棧監控器IC直接支持被動平衡（帶有用戶可設置的定時器）。被動平衡是一種低成本、簡單的方法，可在電池充電周期內對所有電池單元的 SOC 進行歸一化。通過消除低容量電池的電荷，被動平衡可確保這些低容量電池不會過度充電。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。

無論是使用主動還是被動方法，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，由于SOC范圍受到限制，對這些誤差的敏感性也會增加。總測量誤差小于1.2 mV完全符合電池監控系統的系統級要求。

在儲能系統中，必須使用通信環路來連接所有電池單元。該循環將數據從系統電池傳輸到基于云的能量管理算法，該算法跟蹤充電和放電事件，以確定最大化電池利用率或在停電時保持最高容量電池充滿電的最佳方式。

ADI公司的LTC681x和LTC680x系列代表了電池組監視器的最新技術。18 通道版本稱為 LTC6813。

電池組監控設備需要與主單元通信，其中微控制器或處理器計算 SOC 和 SOH 值并調節充電和放電曲線。各種形式的互連是可能的，其中隔離通信通道是高壓應用的首選，例如儲能系統（400 V至1500 V）和帶有高容量電池（40 V至200 V）的便攜式設備。

LTC6813 電池組監視器內置的 isoSPI 功能與 LTC6820 isoSPI 通信接口結合使用時，可實現跨高電壓勢壘的安全、可靠的信息傳輸。.isoSPI在通過串聯電池產生數百伏電壓的儲能系統中特別有用，這些儲能系統需要完全介電隔離以最大程度地減少對人員的危害。

圖4.LTC6813 與 LTC6820 的隔離連接。

在這些使用超過 18 節電池的存儲系統中，需要將多個 LTC6813 BMS 板連接在一起。在這里，多個相同 PCB 的穩健互連（每個 PCB 包含一個 LTC6813）配置為以菊花鏈方式工作。微處理器位于單獨的PCB上。為了實現微處理器 PCB 和第一個 LTC6813 PCB 之間的 2 線隔離，使用了 LTC6820 支持 IC。當只需要一個 LTC6813-1 時，如果第二個 isoSPI 端口 （端口 B） 正確偏置并端接，則可將其用作單個 （非菊花鏈） 器件。

具有平衡和通信功能的電池組監視器的主要設計挑戰是創建無噪聲PCB布局設計，關鍵走線路徑遠離噪聲源（如開關電源），為堆棧監視器提供清晰的信號。借助ADI解決方案，堆棧監控器的高精度和精密度有助于優化已經很好的設計。然后，電池將被有效利用，它們的使用壽命將延長 30%，并且它們將以更安全的方式運行。

審核編輯：郭婷