電池監(jiān)控系統(tǒng)是不同市場的基本推動因素。電池在一系列應(yīng)用中發(fā)揮著關(guān)鍵作用，從電動汽車的額外里程到為智能電網(wǎng)存儲可再生能源。醫(yī)療設(shè)備中使用相同和相似的電池技術(shù)，以提高操作安全性，并可以自由地在醫(yī)院中移動儀器。所有這些應(yīng)用都使用需要精確高效的半導(dǎo)體來監(jiān)控、平衡、保護(hù)和通信的電池。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)）如何利用新鋰電池化學(xué)成分的優(yōu)勢。使用創(chuàng)新的集成電路可實(shí)現(xiàn)更高的可靠性和30%的電池壽命，特別是對于大規(guī)模儲能系統(tǒng)。

醫(yī)療應(yīng)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(biāo)準(zhǔn)：患者的便攜式系統(tǒng)，如胸外按壓系統(tǒng)、醫(yī)院急診室設(shè)備、動力醫(yī)療推車和病床、便攜式超聲機(jī)、遠(yuǎn)程監(jiān)控，以及市場上的新來者儲能系統(tǒng) （ESS）。

儲能系統(tǒng)與患者沒有直接聯(lián)系，也不是由醫(yī)生操作的。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。醫(yī)院的儲能系統(tǒng)正在通過新的鋰基電池實(shí)現(xiàn)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，并防止停電、電網(wǎng)電源/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的情況下也可以運(yùn)營，并且可以參與電網(wǎng)穩(wěn)定。

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曲線并減少高功率峰值需求，從而降低公用事業(yè)的賬單。

醫(yī)院通常擁有相當(dāng)大的屋頂空間，這有利于安裝光伏（PV）系統(tǒng)來發(fā)電。光伏系統(tǒng)與ESS相結(jié)合，可以存儲和自用產(chǎn)生的電力，同時還提供經(jīng)濟(jì)效益并減少碳足跡。

鋰基化學(xué)品現(xiàn)在是從汽車到工業(yè)再到醫(yī)療保健等各種市場中使用的電池的最新技術(shù)。不同類型的鋰電池具有不同的優(yōu)勢，可以更好地適應(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;林錳2O4（鋰錳氧化物）具有非常低的內(nèi)阻，可實(shí)現(xiàn)快速充電和高電流放電，這意味著它是調(diào)峰儲能應(yīng)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(qiáng)，并且可以長時間保持高電壓。這導(dǎo)致它是需要在停電期間工作的大型儲能系統(tǒng)的最佳候選者。缺點(diǎn)是較高的自放電率，但這與上述存儲實(shí)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)用需要高峰值電流可持續(xù)性，以實(shí)現(xiàn)效率和長壽命。然而，所有這些解決方案的共同點(diǎn)是，各種鋰化學(xué)成分在標(biāo)稱電壓范圍內(nèi)都具有非常平坦的放電曲線。

在標(biāo)準(zhǔn)電池中，我們看到電壓降在 500 mV 至 1 V 的范圍內(nèi)，而在先進(jìn)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(nèi)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(yōu)勢：DC-DC轉(zhuǎn)換器可以設(shè)計為在小輸入電壓范圍內(nèi)以最大效率點(diǎn)工作。從已知 V 轉(zhuǎn)換在到非常接近的V外，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，以便在所有工作條件下實(shí)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。在舊的化學(xué)成分或非平坦的放電曲線的情況下，由電池操作的DC-DC轉(zhuǎn)換將以較低的效率工作，這導(dǎo)致電池持續(xù)時間縮短（-20%），或者，當(dāng)連接到醫(yī)療便攜式設(shè)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(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。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(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，使電池壽命縮短50%以上。SOH 提供有關(guān)電池狀態(tài)的信息，以幫助防止更換完好的電池，并在出現(xiàn)問題之前監(jiān)控壞電池的狀態(tài)。主微控制器實(shí)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，如果電池準(zhǔn)備好在斷電時進(jìn)行大電流深度放電），并確保在大型儲能系統(tǒng)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(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)。對于新的鋰基電池，進(jìn)行此測量所需的精度要高出幾個數(shù)量級，因?yàn)樵诮o定的時間范圍內(nèi)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(zhǔn)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(dǎo)致 30% 的使用壽命延長，從而在包括維護(hù)成本后將儲能系統(tǒng)的總擁有成本降低 30% 以上。這與SOC信息的更高精度相結(jié)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(zāi)和其他危險情況的機(jī)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(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的優(yōu)勢，因?yàn)樗O(shè)計用于在不同的惡劣環(huán)境中工作，并符合從汽車ASIL到工業(yè)SIL（例如VDE AR 2510-2/-50、IEC EN 61508等）的各種功能安全標(biāo)準(zhǔn)。

圖3.LTC6813應(yīng)用原理圖。

實(shí)現(xiàn)最高效、最可靠的電池監(jiān)控系統(tǒng)的一種新的獨(dú)特解決方案是將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)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(shù)電池化學(xué)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(shù)據(jù)采集速率以實(shí)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)控長高壓電池串。每個堆棧監(jiān)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(shè)備以菊花鏈形式連接，所有設(shè)備都有一個主機(jī)處理器連接。該菊花鏈可以雙向操作，即使在通信路徑出現(xiàn)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(dú) PWM 占空比控制。其他特性包括板載5 V穩(wěn)壓器、6條通用I/O線路以及電流消耗降至<> μA的睡眠模式。

由于BMS應(yīng)用的短期和長期精度要求，它使用埋入式齊納轉(zhuǎn)換基準(zhǔn)而不是帶隙基準(zhǔn)。這提供了穩(wěn)定的低漂移 （20 ppm/√kHr）、低溫度系數(shù) （3 ppm/°C）、低遲滯 （20 ppm） 初級基準(zhǔn)電壓源以及出色的長期穩(wěn)定性。這種準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性至關(guān)重要，因?yàn)樗撬泻罄m(xù)電池單元測量的基礎(chǔ)，這些誤差會對采集的數(shù)據(jù)可信度、算法一致性和系統(tǒng)性能產(chǎn)生累積影響。

盡管高精度基準(zhǔn)電壓源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)及其工作必須滿足電氣噪聲環(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）瞬變的結(jié)果。準(zhǔn)確評估電池的充電狀態(tài)和健康狀況還需要相關(guān)的電壓、電流和溫度測量。

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

在任何使用排列為電池或模塊組的大型電池組的系統(tǒng)中，對電池平衡的需求都是不可避免的結(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。盡管大多數(shù)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(yùn)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(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)控器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)對所有電池單元的 SOC 進(jìn)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(fù)雜的平衡技術(shù)，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(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(jiān)控系統(tǒng)的系統(tǒng)級要求。

在儲能系統(tǒng)中，必須使用通信環(huán)路來連接所有電池單元。該循環(huán)將數(shù)據(jù)從系統(tǒng)電池傳輸?shù)交谠频哪芰抗芾硭惴ǎ撍惴ǜ櫝潆姾头烹娛录源_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(jiān)視器的最新技術(shù)。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。各種形式的互連是可能的，其中隔離通信通道是高壓應(yīng)用的首選，例如儲能系統(tǒng)（400 V至1500 V）和帶有高容量電池（40 V至200 V）的便攜式設(shè)備。

LTC6813 電池組監(jiān)視器內(nèi)置的 isoSPI 功能與 LTC6820 isoSPI 通信接口結(jié)合使用時，可實(shí)現(xiàn)跨高電壓勢壘的安全、可靠的信息傳輸。.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，這些儲能系統(tǒng)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(jié)電池的存儲系統(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 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(dú)的PCB上。為了實(shí)現(xiàn)微處理器 PCB 和第一個 LTC2 PCB 之間的 6813 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） 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(jiān)視器的主要設(shè)計挑戰(zhàn)是創(chuàng)建無噪聲PCB布局設(shè)計，關(guān)鍵走線路徑遠(yuǎn)離噪聲源（如開關(guān)電源），為堆棧監(jiān)視器提供清晰的信號。借助ADI解決方案，堆棧監(jiān)控器的高精度和精密度有助于優(yōu)化已經(jīng)很好的設(shè)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(yùn)行。

為了支持客戶設(shè)計最終產(chǎn)品，ADI為電池監(jiān)控器器件提供全系列評估系統(tǒng)和平臺，以及適應(yīng)所有需求的完整變體產(chǎn)品組合。

審核編輯：郭婷