電池監(jiān)控系統(tǒng)是不同市場(chǎng)的基本促進(jìn)因素。電池在各種應(yīng)用中都發(fā)揮著重要作用，包括在電動(dòng)汽車領(lǐng)域取得更大的成就，為智能電網(wǎng)儲(chǔ)存再生能源。相同和類似的電池技術(shù)用于醫(yī)療器械，可提高手術(shù)的安全性，并在醫(yī)院自由移動(dòng)器械。所有這些應(yīng)用都使用需要精確、高效半導(dǎo)體來(lái)進(jìn)行監(jiān)控、平衡、保護(hù)和通信的電池供電。本文將介紹一流的電池監(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)的優(yōu)勢(shì)。使用創(chuàng)新集成電路可提高可靠性，延長(zhǎng)30%的電池使用壽命，特別是大規(guī)模儲(chǔ)能系統(tǒng)。

用于醫(yī)療應(yīng)用的電池需要在通常使用這些電池的所有應(yīng)用中滿足非常高的可靠性、效率和安全標(biāo)準(zhǔn)，這些應(yīng)用包括：胸部按壓系統(tǒng)等患者便攜式系統(tǒng)、醫(yī)院急診室設(shè)備、供電式醫(yī)療車和床、便攜式超聲設(shè)備、遠(yuǎn)程監(jiān)控以及市場(chǎng)上的新產(chǎn)品儲(chǔ)能系統(tǒng)(ESS)。

儲(chǔ)能系統(tǒng)既不與患者直接相連，也不由醫(yī)生操作。它們是不間斷電源(UPS)的升級(jí)。UPS歷來(lái)被用作最關(guān)鍵應(yīng)用的備用電源，如急診室設(shè)備、IT網(wǎng)絡(luò)關(guān)鍵基礎(chǔ)設(shè)施。醫(yī)院的儲(chǔ)能系統(tǒng)涵蓋越來(lái)越多的功能，由新鋰電池供電。它們正與醫(yī)院電網(wǎng)完全集成，從而帶來(lái)以下優(yōu)勢(shì)：

用于整個(gè)設(shè)施而不僅僅是一小部分關(guān)鍵設(shè)施的完整備用電源，以及停電保護(hù)，防止電網(wǎng)的電源/電壓質(zhì)量不良，減少使用應(yīng)急柴油發(fā)電機(jī)。借助千兆瓦小時(shí)(MWh)規(guī)模的ESS，醫(yī)院甚至可以在長(zhǎng)時(shí)間停電的情況下做手術(shù)，并且可以參與電網(wǎng)穩(wěn)定。

電費(fèi)開支的經(jīng)濟(jì)效益。借助ESS，醫(yī)院可以直接控制電力使用配置，并減少高功率峰值需求，從而降低水電費(fèi)。

醫(yī)院的屋頂通常很大，適用于安裝光伏(PV)系統(tǒng)來(lái)發(fā)電。PV系統(tǒng)與ESS相結(jié)合可儲(chǔ)存并自用發(fā)出的電，同時(shí)提供經(jīng)濟(jì)效益，減少碳排放量。

圖1. 儲(chǔ)能電池單元。

鋰基化學(xué)現(xiàn)在是各種市場(chǎng)中使用的電池的先進(jìn)技術(shù)，包括汽車市場(chǎng)、工業(yè)市場(chǎng)和醫(yī)療健康市場(chǎng)。不同類型的鋰電池有不同的優(yōu)勢(shì)，可更好地滿足各種應(yīng)用和產(chǎn)品設(shè)計(jì)的電源需求。例如， LiCoO2 （鈷酸鋰）具有極高的比能，非常適合便攜式產(chǎn)品； LiMn2O4 鋰錳氧化物）的內(nèi)阻很低，因此充電快，電流放電也大，這意味著它是調(diào)峰儲(chǔ)能應(yīng)用的理想選擇。 LiFePO4（磷酸鐵鋰）更能承受完全充電狀況，并能長(zhǎng)時(shí)間保持在高電壓下。這使其成為需要在停電期間工作的大型儲(chǔ)能系統(tǒng)的較佳選擇。缺點(diǎn)是自放電速率較高，但這在上述儲(chǔ)存實(shí)施中無(wú)關(guān)緊要。

不同應(yīng)用需求需要各種電池類型。例如，汽車應(yīng)用需要高可靠性和良好的充電與放電速度，而醫(yī)療健康應(yīng)用需要高峰值電流可持續(xù)性，以提高效率和延長(zhǎng)壽命。但是，所有這些解決方案的共同點(diǎn)是，各種鋰化學(xué)組成在標(biāo)稱電壓范圍內(nèi)都有非常平坦的放電曲線。而在標(biāo)準(zhǔn)電池中，壓降范圍為500 mV至1 V，在高 級(jí)鋰電池中，如磷酸鐵鋰 (LiFePO4) 或鈷酸鋰(LiCoO2), 放電曲線則顯示一個(gè)壓降范圍為50 mV至200 mV的平坦區(qū)。

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優(yōu)勢(shì)：可設(shè)計(jì)DC-DC轉(zhuǎn)換器在較小的輸入電壓范圍內(nèi)在最大效率點(diǎn)工作。從已知 VIN 轉(zhuǎn)換為非常接近的 VOUT,系統(tǒng)的電源鏈可設(shè)計(jì)為具有降壓和升壓轉(zhuǎn)換器的理想占空比，以在所有工作條件下實(shí)現(xiàn)99%的效率。此外，電池充電器可完美匹配充電 電壓，并根據(jù)穩(wěn)定的工作電壓來(lái)確定負(fù)載大小，以提高遠(yuǎn)程監(jiān)控或患者體內(nèi)電子產(chǎn)品等最終應(yīng)用的精度。在舊的化學(xué)組成或非平坦放電曲線的情況下，由電池操作的DC-DC轉(zhuǎn)換的效率降低，這將導(dǎo)致電池持續(xù)時(shí)間更短(-20%)，或者當(dāng)連接到便攜式醫(yī)療設(shè)備時(shí)，由于額外的功耗，需要更頻繁地給它們充電。

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。必須以非常高的精度計(jì)算SOC，以確保電池正確充電和放電。過(guò)度充電會(huì)帶來(lái)安全問(wèn)題，并產(chǎn)生化學(xué)降解和短路，導(dǎo)致火災(zāi)和氣體危害。過(guò)度放電可能損壞電池，使電池壽命縮短50%以上。SOH提供有關(guān)電池性能狀態(tài)的信息，以幫助防止更換掉好的電池，并在出現(xiàn)問(wèn)題之前監(jiān)控壞電池的狀態(tài)。主微控制器實(shí)時(shí)分析SOC和SOH數(shù)據(jù)，修改充電算法，告知用戶電池的電位（例如，在斷電情況下，電池是否準(zhǔn)備好進(jìn)行大電流深度放電），以及確保在大型儲(chǔ)能系統(tǒng)中，處于不良狀態(tài)的電池和處于良好狀態(tài)的電池之間實(shí)現(xiàn)平衡，以增加總電池壽命。

通過(guò)用陡峭的放電曲線對(duì)一個(gè)很舊的電池進(jìn)行數(shù)字建模，更容易計(jì)算出該電池的充電狀態(tài)，方式是測(cè)量短時(shí)間內(nèi)的壓降增量并知道電池電壓的絕對(duì)值。對(duì)于新的鋰基電池，進(jìn)行這種測(cè)量所需的精度要高出幾個(gè)數(shù)量級(jí)，因?yàn)樵诮o定的時(shí)間范圍內(nèi)，壓降要小得多。

對(duì)于SOH，舊電池放電更快，且可預(yù)測(cè)性更強(qiáng)：它們的電壓放電曲線變得更加陡峭，無(wú)法達(dá)到目標(biāo)充電電壓。新鋰電池將更長(zhǎng)時(shí)間地保持相同的良好行為，但最終會(huì)隨著更特殊的行為而降低性能，并且在它們的壽命即將終結(jié)或電池即將損壞時(shí)快速改變其阻抗和放電曲線。測(cè)量溫度時(shí)必須格外小心，最好是在每一節(jié)電池上，將SOC和SOH算法與這些信息整合，以使它們更準(zhǔn)確。

精確且可靠的SOC和SOH計(jì)算在最好的情況下有助于將電池壽命從10年延長(zhǎng)到20年，一般情況下也能使電池壽命增加30%，包括維護(hù)費(fèi)用后，這會(huì)將儲(chǔ)能系統(tǒng)的總擁有成本降低30%以上。再加上更準(zhǔn)確的SOC信息，就可以避免過(guò)度充電或過(guò)度放電的情況而導(dǎo)致快速耗盡電池；最大限度地降低短路、火災(zāi)和其他 危險(xiǎn)情況的可能性；幫助使用電池中的所有電量；并使電池能夠盡可能以最好、最高效的方式充電。

本文提出的 LTC6813 電池管理解決方案(BMS)可用于便攜式超聲設(shè)備等醫(yī)療健康設(shè)備、大規(guī)模（千兆瓦/小時(shí)）儲(chǔ)能系統(tǒng)（用于醫(yī)院、工廠、電網(wǎng)穩(wěn)定、電動(dòng)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(lái)了巨大優(yōu)勢(shì)，它設(shè)計(jì)用于不同的惡劣環(huán)境，并且符合從汽車ASIL到工業(yè)SIL的各種功能安全標(biāo)準(zhǔn)（例如，VDE AR 2510-2/-50、IEC EN 61508等）。

圖3. LTC6813應(yīng)用原理圖。

一種具有最高效且可靠的電池監(jiān)控系統(tǒng)的獨(dú)特新解決方案包含一個(gè)18單元監(jiān)控器和平衡IC與微控制器到SPI從隔離接口的組合。多單元電池堆棧監(jiān)控器可測(cè)量多達(dá)18個(gè)串聯(lián)的電池單元，總測(cè)量誤差小于2.2 mV。0 V至5 V的電池測(cè)量范圍適合大多數(shù)電池化學(xué)應(yīng)用。可在290 μs內(nèi)測(cè)量所有18個(gè)電池單元，并選擇較 低的數(shù)據(jù)采集速率以便降噪?？蓪⒍鄠€(gè)堆棧監(jiān)控器件串聯(lián)，以便同時(shí)監(jiān)控很長(zhǎng)的高壓電池串。每個(gè)堆棧監(jiān)控器都具有 isoSPI? 接口，用于高速、RF抗擾、遠(yuǎn)距離通信。多個(gè)器件以菊花鏈形式連接，并為所有器件連接一個(gè)主機(jī)處理器。該菊花鏈可雙向操作，即使通信路徑出錯(cuò)，也能確保通信完整性。電池堆?？芍苯訛镮C供電，也可采用隔離電源為其供電。IC具有用于每個(gè)電池單元的被動(dòng)式平衡和個(gè)別PWM占空比控制功能。其他特性包括一個(gè)板載5 V調(diào)節(jié)器、9個(gè)通用I/O線路和睡眠模式（在此模式下，功耗降至6 μA）。c

BMS應(yīng)用具備短期和長(zhǎng)期精度需求，因此使用嵌入式齊納轉(zhuǎn)換基準(zhǔn)電壓源而非帶隙基準(zhǔn)電壓源。這能夠提供穩(wěn)定的低漂移 (20 ppm/√kHr), 低溫度系數(shù)(3 ppm/°C)、低遲滯(20 ppm)原邊電壓基準(zhǔn)源以及出色的長(zhǎng)期穩(wěn)定性。這種精度和穩(wěn)定性至關(guān)重要，它 是所有后續(xù)電池單元測(cè)量的基礎(chǔ)，這些錯(cuò)誤對(duì)所獲數(shù)據(jù)的可信度、算法一致性和系統(tǒng)性能會(huì)產(chǎn)生累積影響。

雖然高精度基準(zhǔn)電壓源是確保卓越性能的必要功能，但光憑該功能還不夠。模數(shù)轉(zhuǎn)換器架構(gòu)及其操作必須符合電噪聲環(huán)境要求，這是系統(tǒng)大電流/電壓逆變器的脈寬調(diào)制(PWM)瞬態(tài)特性的結(jié)果。準(zhǔn)確評(píng)估電池的充電狀態(tài)和工作狀態(tài)還需要相關(guān)的電壓、電流和溫度測(cè)量。

堆棧監(jiān)控轉(zhuǎn)換器使用∑-?拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)在系統(tǒng)噪聲影響B(tài)MS性能之前降低噪聲，該拓?fù)溆闪鶄€(gè)用戶可選擇的濾波器選項(xiàng)輔助來(lái)解決噪聲環(huán)境。通過(guò)每次轉(zhuǎn)換使用多次采樣的天然特性，以及采用均值濾波功能，∑-?方法降低了電磁干擾(EMI)和其他瞬態(tài)噪聲的影響。

在任何使用排列為電池單元或模塊組的大型電池包的系統(tǒng)中，都不可避免地需要實(shí)現(xiàn)電池平衡，例如用于為醫(yī)院微型電網(wǎng)和子電網(wǎng)供電的大型儲(chǔ)能單元。雖然大多數(shù)鋰電池在首次獲取時(shí)匹配良好，但會(huì)隨著老化損失容量。不同電池的老化過(guò)程出于多種因素可能各有不同，如電池組溫度梯度。使這整個(gè)過(guò)程加劇的是，超過(guò)SOC上限工作的的電池單元將過(guò)早老化，并損失額外容量。這些容量差異以及自放電和負(fù)載電流的小差異都會(huì)導(dǎo)致電池不平衡。

為了解決電池不平衡問(wèn)題，堆棧監(jiān)控器IC直接支持被動(dòng)式平衡（使用用戶可設(shè)置的計(jì)時(shí)器）。被動(dòng)式平衡是在電池充電周期內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)化所有電池的SOC的簡(jiǎn)單、低成本方法。通過(guò)從較低容量的電池中移除電荷，被動(dòng)式平衡可確保這些較低容量的電池不會(huì)過(guò)度充電。IC也可用于控制主動(dòng)平衡，這是一種更復(fù)雜的平衡技術(shù)，通過(guò)充電或放電循環(huán)在電池之間傳輸電荷。

無(wú)論是使用主動(dòng)方法還是被動(dòng)方法，電池平衡都依賴于高測(cè)量精度。隨著測(cè)量誤差越來(lái)越大，系統(tǒng)所建立的操作保護(hù)等級(jí)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(duì)這些誤差的靈敏度也增加了。小于1.2 mV 的總測(cè)量誤差在電池監(jiān)控系統(tǒng)的系統(tǒng)級(jí)要求范圍內(nèi)。

在儲(chǔ)能系統(tǒng)中，要連接所有電池單元，通信環(huán)路是必不可少的。該環(huán)路將來(lái)自系統(tǒng)電池的數(shù)據(jù)傳送到基于云的能量管理算法，該算法跟蹤充電和放電事件以確定充分利用電池的較佳方式，或者在斷電的情況下保持最高容量的電池完全充電。

ADI的LTC681x和LTC680x系列代表一流的電池堆棧監(jiān)控器。18通道版本為L(zhǎng)TC6813。

T電池堆棧監(jiān)控器設(shè)備需要與主機(jī)通信，在此期間微控制器或處理器計(jì)算SOC和SOH值并調(diào)節(jié)充電和放電配置?？梢赃M(jìn)行各種形式的互連，其中隔離通信通道是高電壓應(yīng)用的首選，如儲(chǔ)能系統(tǒng)（400 V至1500 V）和具有高容量電池的便攜式設(shè)備（40 V至200 V）。

內(nèi)置在LTC6813電池堆棧監(jiān)控器中的 isoSPI 功功能，與 LTC6820 isoSPI通信接口結(jié)合使用時(shí)，可通過(guò)高壓屏障實(shí)現(xiàn)安全可靠的信息傳輸。 isoSPI在通過(guò)串聯(lián)電池產(chǎn)生數(shù)百伏電壓的儲(chǔ)能系統(tǒng)中特別有用，串聯(lián)電池需要全電介質(zhì)隔離以最大限度地減少對(duì)人員的傷害。

圖4. LTC6813與LTC6820的隔離連接

在這些使用超過(guò)18個(gè)電池的儲(chǔ)存系統(tǒng)中，需要將多個(gè)LTC6813BMS板連接在一起。下面是多個(gè)相同PCB的可靠互連，每個(gè)PCB都包含一個(gè)為在菊花鏈中操作而配置的LTC6813。微處理器位于單獨(dú)的PCB上。為實(shí)現(xiàn)微處理器PCB和首個(gè)LTC6813 PCB之間的2線隔離，使用了LTC6820支持IC。當(dāng)只需要一個(gè) LTC6813-1 時(shí)，如果第二個(gè) isoSPI端口（端口B）正確偏置和端接，則可將其用作單一（非菊花鏈）器件。

具有平衡和通信功能的電池堆棧監(jiān)控器的主要設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)是創(chuàng)建無(wú)噪聲PCB布局設(shè)計(jì)，且關(guān)鍵走線遠(yuǎn)離開關(guān)電源等噪聲源，向堆棧監(jiān)控器發(fā)出清晰的信號(hào)。采用ADI解決方案，堆棧監(jiān)控器出色的準(zhǔn)確度和精度有助于優(yōu)化現(xiàn)有的良好設(shè)計(jì)。電池將得到有效利用，使用壽命將延長(zhǎng)30%，并且操作更安全。

為了支持客戶設(shè)計(jì)自己的最終產(chǎn)品，ADI為電池監(jiān)控設(shè)備提供了全系列評(píng)估系統(tǒng)和平臺(tái)，以及滿足所有需求的完整版本組合。

http://www.rfz1.com/news_view.aspx?TypeId=28&Id=1577&Fid=t2:28:2

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