如何提高能量存储电池管理系统的可靠性

坚固的设计是自下而上建立的

模块化架构、分级拓扑和注重减少差错的设计对Nuvation BMS实现完整性和可扩展性而言是必不可少的，但是这还不够。成功实现Nuvation BMS还需要以高性能基本功能构件作为物理基础。

这就是为什么凌力尔特公司的多节电池监视器IC LTC6804(参见图4)在Nuvation BMS解决方案中发挥关键作用的原因。LTC6804专为满足BMS系统及多节电池设计的需求而定制，起点是针对多达12节串联叠置的电池提供精确的测量值。该器件的测量输入不是以地为基准的，这极大地简化了对电池的测量，而且LTC6804本身是可叠置的，以用于较高电压的阵列(该器件还支持各种电池化学组成)。LTC6804以16位分辨率提供0.033%的最大误差，仅需要290μs就可测完所有12节电池。要产生有意义的电源参数分析结果，这样的同步电压和电流测量是至关重要的。


图4：凌力尔特公司的LTC6804多节电池监视器IC针对叠置电池提供准确的测量值，是成功实现BMS的起点。

当然，在实验台上原型机所处无害环境中实现的性能与BMS设置在不利的真实电气及自然环境中可实现的性能是不同的。LTC6804的模数转换器(ADC)架构设计采用专门针对电源逆变器噪声而设计的滤波器，可抵御这些有害影响，并使影响最小化。

数据接口采用隔离式单条双绞线SPI接口，支持高达1Mb的传输速率和长达100米的传输距离。为了进一步提高系统完整性，该IC包括一系列持续进行的子系统测试功能。作为进一步表明其可靠性和坚固性的标志，LTC6804满足保证汽车质量的严格AEC-Q100标准要求。这款IC由于专用设计而取得了出色成果，其设计密切关注BMS问题和环境，包括独特的系统级应用目标以及很多挑战。

解决了3大问题

LTC6804解决了影响系统性能的 3 大问题：转换准确度、电池容量平衡和连通性/数据完整性：

1) 转换准确度：考虑到BMS应用的短期和长期准确度要求，该器件采用了掩埋齐纳转换基准，而不是带隙基准。这提供了一个稳定、低漂移(20ppm/√kHr)、低温度系数(3ppm/°C)、低迟滞(20ppm)的主电压基准以及卓越的长期稳定性。这种准确度和稳定性至关重要，因为这是所有后续电池测量的基础，而且这些误差对所采集数据的可信度、算法一致性及系统性能都有累积影响。

尽管高准确度基准是确保上佳性能的必要部件，但仅靠这个是不够的。A/D转换器架构及其运作必须在电噪声环境中符合规范的要求，此类噪声环境是系统的大电流 / 高电压逆变器的脉宽调制(PWM)瞬变的结果。另外，电荷状态(SOC)和电池健康状况的准确评估还需要相互关联的电压、电流和温度测量。

为了减低系统噪声以避免其影响BMS性能，LTC6804转换器采用了一种增量-累加(Δ-Σ)拓扑，辅之以6种用户可选的滤波器选项以应对噪声环境。该Δ-Σ方法由于其具有每次转换采用多个样本的性质和一种取平均的滤波功能，因而减轻了电磁干扰(EMI)和其他瞬态噪声的影响。

2) 电池容量平衡：大型电池包一般由多组电池或电池模块组成，在任何使用这类电池包的系统中，电池容量平衡都是不可避免的要求。尽管大多数锂电池在首次到达用户手中时已经进行了良好的容量匹配，但是随着老化，锂电池会损失容量。由于导致老化过程不同的因素有多种 (例如电池组的温度变化率不同)，各节电池的老化过程可能各不相同。使整个老化过程加剧的是，如果允许电池工作范围超出其SOC限制，那么这节电池就会提前老化，并会额外损失容量。这些容量方面的差异，加之自放电和负载电流方面的小差异，会导致电池容量失衡。

为了解决电池容量失衡问题，LTC6804直接地支持被动平衡(用一个用户可设置的定时器)。被动平衡是一种简便的低成本方法，可在电池充电周期归一化所有电池的SOC。通过从容量较低的电池中移走电荷，被动平衡确保这些容量较低的电池不会过度充电。LTC6804还可用来控制主动平衡，这是一种更加复杂的平衡方法，在充电或放电周期中在电池之间传送电荷。

无论采用主动平衡还是被动平衡，电池容量平衡效果都取决于测量准确度是否足够高。随着测量误差增大，系统建立的工作保护带也必须随之增大，因此，容量平衡性能的实效就会受到限制。此外，随着SOC范围受到进一步限制，对这些误差的灵敏度也会提高。LTC6804的总体测量误差低于1.2mV，完全处于系统级要求范围之内。

3) 连通性/数据完整性考虑：电池组设计中的模块化增强了可扩展性、可维修性和外形的灵活性。然而，这种模块化要求电池组之间的数据总线具有电流隔离(无电阻通路)，这样，任何一个电池组中的故障就不会影响系统的其余部分或在总线上施加高电压。此外，电池组之间的配线必须要能耐受很高的EMI。

两线式隔离数据总线是一种能以紧凑和具成本效益的方式实现上述目标的可行解决方案。因此，LTC6804提供了被称为isoSPI的隔离式SPI互连，其负责把用于时钟、数据输入、数据输出和芯片选择的信号编码为差分脉冲，然后通过一个变压器把这些差分脉冲耦合至一个坚固、可靠和确定已久的隔离组件(参见图5)。


图5：LTC6804支持隔离式SPI接口，该接口可以“菊花链”方式连接，以组成较大的阵列，从而实现坚固、抗EMI的互连，同时还能够最大限度减少布线需求和隔离器数量。

该总线上的器件可以通过 “菊花链” 方式连接，这种连接方式可极大地减小线束尺寸，并实现大型、高压电池包的模块化设计，同时保持很高的数据传输速率和很低的EMI敏感性(参见图6)。


图6：对LTC6804和isoSPI接口的测试结果表明，在isoSPI以20mA信号强度工作时，尽管注入了200mA RF，但是仍然没产生数据误差。

为了展示抗噪声性能，凌力尔特对LTC6804进行了BCI测试。测试时使用1MHz至400MHz RF载波，且在载波上有1kHz AM调制，通过该载波将100mA RF能量耦合到连接电池的线束中。LTC6804数字滤波器的截止频率设定为1.7kHz，另外还增加了外部RC滤波器和铁氧扼流圈。测试结果为，在整个RF频率范围内，电压读数误差低于2mV。

LTC6804提供一系列自评估和自测试功能，这使该器件更加适合BMS应用了。这些评估和测试功能包括断线检测、第二个内部ADC时钟基准、多工器自测试甚至内部电源电压测量。该器件为准备与ISO 26262和IEC 61508标准兼容的系统而设计。