大型電池陣列可以作為備份和持續供電的能量存儲系統，這種用法正在得到越來越多的關注，特斯拉汽車公司不久前推出的家用和商用powerwall系統證明了這一點。這類系統中的電池由電網或其他能源持續充電，然后通過DC/AC逆變器向用戶供應交流(AC)電。

用電池作為備份電源并不是新鮮事，目前已經有很多種電池備份電源系統了，例如基本的120/240Vac和數百瓦功率的臺式pC短時間備份電源系統，船舶、混合動力汽車或全電動型汽車使用的數千瓦特種車船備份電源系統，電信系統和數據中心使用的電網級數百千瓦備份電源系統(參見圖1)…等等。盡管電池化學組成和電池技術領域的進步引起了很大的關注，但是關于一個可行和基于電池的備份系統而言，還有一個同樣關鍵的部分，那就是電池管理系統(BMS)。

圖1：基于電池的備份電源非常適合從數千瓦到數百kW功率的固定及移動應用，可為多種應用可靠和有效地供電。

為能量存儲應用實現電池管理系統時有很多挑戰，其解決方法絕不是從小型、較低容量電池包的管理系統簡單“擴展”而成。相反，要新的、更加復雜的戰略以及關鍵的支持組件。

挑戰的起點是，要求很多關鍵電池參數的測量值具備高準確度和可信度。此外，子系統的設計必須是模塊化的，以能夠按照應用的特定需求對配置進行定制，還要考慮可能的擴展要求、整體管理問題以及必要的維護。

較大型存儲陣列的工作環境還帶來了其他重大挑戰。在逆變器電壓很高/電流很大并因此而出現電流尖峰的情況下，BMS還必須在噪聲極大的電氣環境而且常常是溫度很高的環境中供應精確、一致的數據。此外，BMS還必須針對內部模塊和系統溫度測量值供應廣泛的“精細”數據，而不是有限的幾項粗略的總計數據，因為這些數據關于充電、監視和放電而言是至關重要的。

由于這些電源系統的重要用途，因此它們的工作可靠性具有與生俱來的關鍵性。要把上面這個很容易表述的目標變成現實，BMS必須確保數據準確度和完整性以及持續的健康評估，這樣BMS才能持續采取所需行動。實現堅固的設計和可靠的安全性是一個多級過程，BMS必須針對所有子系統預期可能出現的問題、執行自測試并供應故障檢測，然后在備用模式和工作模式采用恰當的行動。最后一個要求是，由于高壓、大電流和大功率，所以BMS必須滿足很多嚴格的監管標準要求。

系統設計將概念轉變成真實世界的成果

盡管監視可再充電電池從概念上看很簡單，只需將電壓和電流測量電路放在電池端子處即可，但現實中的BMS卻很不相同，要復雜得多。

堅固的設計始于對各節電池的全面監視，這對模擬電路功能提出了一些重要要求。電池讀數要達到毫伏和毫安級準確度，電壓和電流測量值必須是時間同步以計算功率。BMS必須評估每次測量的有效性，因為它要最大限度提高數據完整性，同時BMS還必須識別錯誤或有問題的讀數。BMS不能忽視不尋常的讀數，因為這種讀數也許表明有潛在問題，但同時，BMS又不能根據有錯誤的數據采取行動。

模塊化BMS架構提高了堅固性、可擴展性和可靠性。數據鏈路各部分之間要隔離，以最大限度降低電氣噪聲的影響，并提高安全性，而模塊化為實現隔離供應了方便。此外，先進的數據編碼格式[例如循環冗余校驗(CRC)差錯檢測和鏈接確認協議]可確保數據完整性，這樣系統管理電路就可確信，它接收的數據就是所發送的數據。

采用了這些原理的BMS實例之一是由NuvationEngineering(加拿大安大略省和美國加利福尼亞州桑尼維爾)開發的可擴展和可定制電池管理系統。憑借以可靠性和堅固性作為關鍵指標的電網電能存儲系統和電源后備設備領域屢屢贏得設計案，NuvationBMS設計正在逐步地證明自己的實力。這種現成有售的BMS之重要優勢是其具有三個子系統的分層分級拓撲(參見圖2)，這三個子系統各具獨特的功能，如圖3所示。

圖2：NuvationEngineering公司的電池管理系統是AC電網和電池陣列之間的接口，該系統以先進的方式監督電池充電/放電，并供應DC/AC逆變器功能。

圖3：NuvationBMS的3大子系統：電池接口、電池組控制器、電源接口。該BMS由模塊化、分級設計組成，可對多種功率級系統供應可擴展性、堅固性和可靠性。

1.電池接口對電池組中的每節電池供應嚴格管理和監視;視電池組的數量不同而不同，系統根據要采用盡可能多的電池接口。隨著電池數量新增以及由此而來的電池組電壓提高，這些接口可以按菊花鏈方式連接以實現系統擴展。

2.所有電池接口都連接到一個電池組控制器，該控制器監視和管理多個電池接口單元。假如要，多個電池組控制器可以連接到一起，以支持由很多電池組并聯組成的大型電池包。

3.電源接口將電池組控制器連接到高壓/大電流線路，是到逆變器/充電器的接口。電源接口從物理上和電氣上使高壓和大電流組件與其他模塊隔離。該接口還直接從電池組給BMS供電，因此BMS的運行無需任何外部電源。

NuvationBMS的模塊化和分級架構支持高達1250Vdc的電池包電壓，所采用的電池接口模塊每個支持多達16節電池，允許多達48個電池接口模塊疊置，支持包含多個并聯電池組的電池包。從用戶的角度來看，整個組裝陣列是作為單一單元管理的。

堅固的設計是自下而上建立的

模塊化架構、分級拓撲和重視減少差錯的設計對NuvationBMS實現完整性和可擴展性而言是必不可少的，但是這還不夠。成功實現NuvationBMS還要以高性能基本功能構件作為物理基礎。

這就是為何凌力爾特公司的多節電池監視器ICLTC6804(參見圖4)在NuvationBMS解決方法中發揮關鍵用途的原因。LTC6804專為滿足BMS系統及多節電池設計的需求而定制，起點是針對多達12節串聯疊置的電池供應精確的測量值。該器件的測量輸入不是以地為基準的，這極大地簡化了對電池的測量，而且LTC6804本身是可疊置的，以用于較高電壓的陣列(該器件還支持各種電池化學組成)。LTC6804以16位分辨率供應0.033%的最大誤差，僅要290μs就可測完所有12節電池。要出現有意義的電源參數分析結果，這樣的同步電壓和電流測量是至關重要的。

圖4：凌力爾特公司的LTC6804多節電池監視器IC針對疊置電池供應準確的測量值，是成功實現BMS的起點。

當然，在實驗臺上原型機所處無害環境中實現的性能與BMS設置在不利的真實電氣及自然環境中可實現的性能是不同的。LTC6804的模數轉換器(ADC)架構設計采用專門針對電源逆變器噪聲而設計的濾波器，可抵御這些有害影響，并使影響最小化。

數據接口采用隔離式單條雙絞線SpI接口，支持高達1Mb的傳輸速率和長達100米的傳輸距離。為了進一步提高系統完整性，該IC包括一系列持續進行的子系統測試功能。作為進一步表明其可靠性和堅固性的標志，LTC6804滿足保證汽車質量的嚴格AEC-Q100標準要求。這款IC由于專用設計而取得了出色成果，其設計密切關注BMS問題和環境，包括獨特的系統級應用目標以及很多挑戰。

解決了3大問題

LTC6804解決了影響系統性能的3大問題：轉換準確度、電池容量平衡和連通性/數據完整性：

1)轉換準確度：考慮到BMS應用的短時間和長期準確度要求，該器件采用了掩埋齊納轉換基準，而不是帶隙基準。這供應了一個穩定、低漂移(20ppm/√kHr)、低溫度系數(3ppm/°C)、低遲滯(20ppm)的主電壓基準以及卓越的長期穩定性。這種準確度和穩定性至關重要，因為這是所有后續電池測量的基礎，而且這些誤差對所采集數據的可信度、算法一致性及系統性能都有累積影響。

盡管高準確度基準是確保上佳性能的必要部件，但僅靠這個是不夠的。A/D轉換器架構及其運作必須在電噪聲環境中符合規范的要求，此類噪聲環境是系統的大電流/高電壓逆變器的脈寬調制(pWM)瞬變的結果。另外，電荷狀態(SOC)和電池健康狀況的準確評估還要相互關聯的電壓、電流和溫度測量。

為了減低系統噪聲以防止其影響BMS性能，LTC6804轉換器采用了一種增量-累加(ΔΣ)拓撲，輔之以6種用戶可選的濾波器選項以應對噪聲環境。該ΔΣ方法由于其具有每次轉換采用多個樣本的性質和一種取平均的濾波功能，因而減輕了電磁干擾(EMI)和其他瞬態噪聲的影響。

2)電池容量平衡：大型電池包一般由多組電池或電池模塊組成，在任何使用這類電池包的系統中，電池容量平衡都是不可防止的要求。盡管大多數鋰離子電池在首次到達用戶手中時已經進行了良好的容量匹配，但是隨著老化，鋰離子電池會損失容量。由于導致老化過程不同的因素有多種(例如電池組的溫度變化率不同)，各節電池的老化過程可能各不相同。使整個老化過程加劇的是，假如允許電池工作范圍超出其SOC限制，那么這節電池就會提前老化，并會額外損失容量。這些容量方面的差異，加之自放電和負載電流方面的小差異，會導致電池容量失衡。

為了解決電池容量失衡問題，LTC6804直接地支持被動平衡(用一個用戶可設置的按時器)。被動平衡是一種簡便的低成本方法，可在電池充電周期歸一化所有電池的SOC。通過從容量較低的電池中移走電荷，被動平衡確保這些容量較低的電池不會過度充電。LTC6804還可用來控制主動平衡，這是一種更加復雜的平衡方法，在充電或放電周期中在電池之間傳送電荷。

無論采用主動平衡還是被動平衡，電池容量平衡效果都取決于測量準確度是否足夠高。隨著測量誤差增大，系統建立的工作保護帶也必須隨之增大，因此，容量平衡性能的實效就會受到限制。此外，隨著SOC范圍受到進一步限制，對這些誤差的靈敏度也會提高。LTC6804的總體測量誤差低于1.2mV，完全處于系統級要求范圍之內。

3)連通性/數據完整性考慮：電池組設計中的模塊化增強了可擴展性、可維修性和外形的靈活性。然而，這種模塊化要求電池組之間的數據總線具有電流隔離(無電阻通路)，這樣，任何一個電池組中的故障就不會影響系統的其余部分或在總線上施加高電壓。此外，電池組之間的配線必須要能耐受很高的EMI。

兩線式隔離數據總線是一種能以緊湊和具成本效益的方式實現上述目標的可行解決方法。因此，LTC6804供應了被稱為isoSpI的隔離式SpI互連，其負責把用于時鐘、數據輸入、數據輸出和芯片選擇的信號編碼為差分脈沖，然后通過一個變壓器把這些差分脈沖耦合至一個堅固、可靠和確定已久的隔離組件(參見圖5)。

圖5：LTC6804支持隔離式SpI接口，該接口可以“菊花鏈”方式連接，以組成較大的陣列，從而實現堅固、抗EMI的互連，同時還能夠最大限度減少布線需求和隔離器數量。

該總線上的器件可以通過“菊花鏈”方式連接，這種連接方式可極大地減小線束尺寸，并實現大型、高壓電池包的模塊化設計，同時保持很高的數據傳輸速率和很低的EMI敏感性(參見圖6)。

圖6：對LTC6804和isoSpI接口的測試結果表明，在isoSpI以20mA信號強度工作時，盡管注入了200mARF，但是仍然沒出現數據誤差。

為了展示抗噪聲性能，凌力爾特對LTC6804進行了BCI測試。測試時使用1MHz至400MHzRF載波，且在載波上有1kHzAM調制，通過該載波將100mARF能量耦合到連接電池的線束中。LTC6804數字濾波器的截止頻率設定為1.7kHz，另外還新增了外部RC濾波器和鐵氧扼流圈。測試結果為，在整個RF頻率范圍內，電壓讀數誤差低于2mV。

LTC6804供應一系列自評估和自測試功能，這使該器件更加適合BMS應用了。這些評估和測試功能包括斷線檢測、第二個內部ADC時鐘基準、多工器自測試甚至內部電源電壓測量。該器件為準備與ISO26262和IEC61508標準兼容的系統而設計。

結論

面向電網供電系統的備份和持續供電電源有很大的“魅力”。這類電源似乎非常簡單明了：給一個電池陣列充電(無論是用電網的AC電力線還是太陽能、風能或其他可再生能源)，然后在要時，用這些電池和DC/AC逆變器供應相當于電力線供電的AC電源。

現實情況是，這些電池的任何工作方式或性能特點都不“簡單”，要仔細控制對它們的充電，仔細控制對其電壓、電流和溫度的監視，以及仔細控制其放電。隨著功率的提高，實用、高效和安全的系統設計絕不是微不足道的，因此連接電網的多節電池BMS也是非常復雜的系統。要理解和解決很多獨特問題，其中系統安全是重要問題。

成功和可行的系統設計要一種由優化組件(例如：LTC6804)自下而上地供應支持模塊化、結構化、自頂向下的架構。當與精細、安全的數據采集和控制軟件相組合時，可造就高性能的可靠BMS，此類BMS幾乎不要操作人員的干預，并將以自主的方式運行，從而供應為期多年的可靠服務。