储能系统:如何轻松安全地管理电池包

2024-09-19 14:32:22 EETOP

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。

 

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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)。

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。

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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。

 

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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。

 

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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。

 

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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。


关键词: 储能 电源管理 ADI

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