储能系统：如何轻松安全地管理电池包

作者：Amina Joerg，ADI 现场应用工程师；Paulo Roque，ADI 系统应用工程师

摘要

锂离子(Li-Ion)电池和其他化学电池不仅在汽车行业扮演着关键角色，而且也是储能系统(ESS)的主力军。例如，超级工厂每天可以利用可再生能源生产数兆瓦时电力。电网如何承受24小时内的各种负载波动？利用基于电池的电网支持储能系统(BESS)可以有效解决这个问题。本文讨论了电池管理控制器解决方案及其在开发和部署ESS时的有效性。

锂离子电池挑战

为了使用锂离子电池，我们需要电池管理系统(BMS)。锂离子电池可能很危险，因此BMS必不可缺。如果过度充电，锂离子电池会发生热失控并爆炸；如果过度放电，电池内部会发生化学反应，导致其蓄电能力受到永久影响。这两种情况都会导致电芯受损，并且可能带来安全隐患和严重的经济损失。此外，锂离子电池常常堆叠起来，形成电池包，所以也需要使用BMS。堆叠电池通常采用串联方式充电，也就是将一个恒定电流源与电池堆并联。然而，这种方法会带来一个难题：如何实现平衡充电，即让所有电池处于相同的荷电状态(SOC)。如何在避免电池堆的任何一个电池过度充电或过度放电的前提下，将所有电池完全充电或放电？一款出色的BMS包含众多优势，有助于实现良好平衡。BMS的主要功能包括：

u        监测电池参数，例如电池电压、电池温度以及流入和流出电池的电流。
u        通过测量上述参数，并使用库仑计测量充电和放电电流（单位为安培-秒，即A.s），来计算SOC。
u        电池平衡（被动），可确保所有电池的SOC相同。

电池管理系统解决方案

ADI公司提供多种BMS器件系列(ADBMSxxxx)。例如，ADBMS1818非常适合工业和BESS应用，可以测量由18个电池组成的电池堆。任何ADBMS IC都需要微控制器来操作。微控制器单元(MCU)与BMS通信，接收测量数据并执行计算，以确定SOC和其他参数。虽然大多数微控制器可以与BMS通信，但并非所有微控制器都适用。理想的微控制器应具备强大的处理能力。BMS反馈的数据量可能非常庞大，尤其是在处理大型电池堆时。例如某些电池堆由多达32个以菊花链连接的ADBMS1818组成，电压可能达到1500 V。在这种情况下，微控制器必须具有足够的带宽，以便在处理结果的同时与系统中的不同BMS IC进行通信。MAX32626微控制器是BMS平台解决方案的一部分，有两个电源，并通过PowerPath™控制器进行管理。PowerPath控制器根据板载电源需求（所连接的外设和处理负载等）确定电源优先顺序。

ADI公司的大多数监控IC都采用适合高压系统的可堆叠架构，这意味着多个模拟前端(AFE)可以通过菊花链方式连接。因此，BMS控制板（又称储能控制器单元(ESCU）)的一大特性在于可以同时与多个AFE协同工作。

图1为典型的BMS框图，其中ESCU以蓝色突出显示。虽然ESCU并未针对功能安全应用进行优化，但用户可以实施保护电路和/或冗余来满足某些安全完整性等级(SIL)要求。


图1.由ADI BMS解决方案提供支持的BMS简化框图

BMS控制板硬件和软件

硬件信息

ADI公司的ESCU可与各种BMS器件（AFE、电量计、isoSPI收发器）接口对接。BMS控制板硬件和组成部分的亮点包括：

u        板载MCU：Arm® Cortex®-M4 MAX32626适合储能应用。该器件以低功耗运行，速度非常快，内部振荡器的运行频率高达96 MHz。在低功耗模式下的运行速度低至4 MHz，可节省功耗。此外还具有出色的电源管理特性，例如低功耗模式下电流仅600 nA，并有一个已使能的实时时钟(RTC)。MAX32626还集成了丰富的外设接口，包括SPI、UART、I2C、1-Wire®接口、USB 2.0、PWM引擎、10位ADC等，并内置了一个带高级安全特性的信任保护单元(TPU)。
u        接口：ESCU配备了多个接口，
■        包括SPI、I2C和CAN。
■        isoSPI用于安全稳健地跨高压屏障传输信息。
■        USB-C用于为电路板供电和烧录MCU。
■        JTAG用于微控制器编程和调试。
■        Arduino连接器（提供更大的灵活性，支持添加Arduino兼容板，例如以太网扩展板、传感器板，甚至Proto Shield）。
u        isoSPI收发器：包含2个LTC6820，利用单个变压器实现与菊花链连接的BMS IC之间的isoSPI通信，确保该板与连接到大电压电池堆的BMS IC完全隔离。双isoSPI收发器提供了冗余和可逆的隔离通信，主机MCU交替使用不同通信端口以监视信号完整性。未来该板将包含ADBMS6822（双isoSPI收发器），以支持更高的数据传输速率，并支持新款ADI BMS IC中的低功耗电池监控(LPCM)功能）。
u        电源管理：
■        可通过DC插孔或连接到PC的USB通过USB 2.0接口（可使用USB-C连接器）供电。
■        优先级电路采用LTC4415，根据控制器和外设侧的负载来选择电源（DC插孔或USB-C输入）。例如，如果连接并运行Arduino扩展板，则该板的功耗将提高，超过USB-C所能提供的功率，此时LTC4415的理想二极管“或”架构将执行切换操作，选择DC插孔作为电源来源。
■        电源链提供不同的电压轨（3.3 V、2.5 V和5 V），这些电压轨可通过跳线进行配置。
u        安全和保护：MAX32626可控制板载隔离栅极驱动器ADuM4120，该驱动器可控制N-FET连接到外部接触器（如电池板上的接触器）。在紧急或故障情况下，MCU将通过ADuM4120打开和关闭MOSFET，进而断开接触器和电池连接，起到保护作用。

图2中的概要框图突出了ESCU的主要元件。


图2.ESCU的详细硬件框图

PCB尺寸较小，为10 cm×9 cm。主要接口如图3所示。


图3.ESCU的顶面

软件信息

在软件方面，ADI公司提供了完整解决方案，包括可用于与控制板通信的开源图形用户界面(GUI)。该GUI最多支持将三个ADBMS器件连接到菊花链。

GUI通过定义明确且可轻松扩展的开源通信协议与MCU进行通信。该协议定义了通过串行端口发送到MCU的消息。这些消息受到循环冗余校验(CRC)保护，支持错误检测。用户可通过消息，有序地与MCU连接和断开连接，设置系统参数，执行测量，使能和检查故障，以及将任何必要的命令写入ADBMS器件。MCU中的应用代码利用空闲RTOS线程执行并行操作。这种做法很有用，因为测量线程可以与故障检查线程并行运行，从而可以实现故障间隔时间目标。

我们为BMS控制板提供了用Python编写的软件界面。主要的用户内容包括：

1. 系统标签页：这是应用程序的主登陆页面（图4）。用户可在此建立串行PC通信，选择连接的AFE板数量，以及确定用于过压和欠压检查的测量间隔和阈值。点击连接后，用户即可开始测量。两个系统状态灯都变成绿色（如图4所示）时，会根据用户输入的电路板数量而显示相应的测量标签页。


图4.用户应用程序的系统标签页

2. BMS标签页显示ESCU处理的每个连接AFE的测量结果，如图5所示。BMS标签页包含AFE板的电池和GPIO电压、状态及故障读数。电池电压测量结果也以图形方式实时呈现。


图5.BMS测量标签页

3. 参考标签页：GUI包含一个参考标签页，其中会显示电路板概要框图和原理图。原理图、Gerber文件、评估固件、GUI和用户指南都是开源的，由ADI提供。

结论

能源市场正快速发展，对BESS的需求十分迫切。业界亟需可以立即部署的完整解决方案，其中还要求包括适当的支持，以加快产品上市速度，避免出现延误意外。ADI公司的ESCU可全面满足这一需求。该板具备BESS所需的关键特性，同时提供了一个全面而灵活的基础平台，为未来的进一步开发铺平了道路。

借助ADI公司的BMS控制器解决方案，用户将能够：
u        同时评估多个AFE，因为该解决方案针对的是可堆叠和可扩展架构。不需要额外的isoSPI收发器板。
u        无缝调试BMS系统，因为该板搭载了JTAG、状态LED以及丰富的连接器和接口。
u        利用开源硬件和软件缩短产品上市时间。

ADI公司的BMS控制板具备BESS所需的关键特性，并为未来的发展提供了一个灵活的基础平台。

参考资料
1 “锂离子电池储能解决方案”，ADI公司，2022年。“储能解决方案”，ADI公司
2 Amina Bahri。AN-2093：ADBMS1818从属模块解决方案”，ADI公司，2021年。

关于作者
Paulo Roque是储能系统部的系统应用工程师，目前常驻爱尔兰利默里克。他于2013年加入ADI公司，先后担任过多个职位，参与过多种产品的研发，近期主要专注于磁性产品。Paulo毕业于爱尔兰利默里克大学，获机器人学士学位。

Amina Joerg是工业团队的现场应用工程师，常驻德国。她自2018年起在ADI公司工作，历任多个职位，目前在能源部担任系统应用工程师。Amina毕业于德国肯普滕应用技术大学，获电气工程硕士学位。