电池监控系统提升电池的使用效率
电池监控系统提升电池的使用效率
电池在各种应用中都发挥着重要作用，包括在电动汽车领域成长快速，也可为智能电网储存再生能源，其中的电池监控系统更扮演着重要的角色。本文将介绍来自ADI公司的电池监控系统与相关解决方案。
控制芯片可监控与保护电池供电
锂基化学现在是各种市场中使用的电池的先进技术，包括汽车市场、工业市场和医疗健康市场。不同类型的锂电池有不同的优势，可更好地满足各种应用和产品设计的电源需求。例如，LiCoO2（钴酸锂）具有极高的比能，非常适合便携式产品；LiMn2O4（锂锰氧化物）的内阻很低，因此充电快，电流放电也大，这意味着它是调峰储能应用的理想选择；LiFePO4（磷酸铁锂）更能承受完全充电状况，并能长时间保持在高电压下，这使其成为需要在停电期间工作的大型储能系统的最佳选择，缺点是自放电速率较高，但这在上述储存实施中并无太大的影响。
不同的应用需求需要采用不同的电池类型，例如，汽车应用需要高可靠性和良好的充电与放电速度，而医疗健康应用需要高峰值电流可持续性，以提高效率和延长寿命。但是，所有这些解决方案的共同点是，各种锂化学组成在标称电压范围内都有非常平坦的放电曲线。而在标准电池中，压降范围为500 mV至1 V，在高级锂电池中，如磷酸铁锂（LiFePO4）或钴酸锂（LiCoO2），放电曲线则显示一个压降范围为50 mV至200 mV的平坦区。
所有这些应用都需要使用精确、高效的半导体，来进行电池供电的监控、平衡、保护和通信。一流的电池监控系统（包括电池平衡和隔离通信网络）将使用创新集成电路来提高可靠性，可延长30%的电池使用寿命，特别是大规模储能系统（Energy Storage Systems, ESS），以充分利用新锂电池的化学优势。
电池的充电和健康状态相当关键
电压曲线的平坦度在与电池电压轨相连的IC的电源管理链中具有巨大优势，可设计DC-DC转换器在较小的输入电压范围内在最大效率点工作。从已知VIN转换为非常接近的VOUT，系统的电源链可设计为具有降压和升压转换器的理想占空比，以在所有工作条件下实现99%的效率。
平坦放电曲线的主要缺点是电池的充电状态（SOC）和健康状态（SOH）额定值更难确定。必须以非常高的精度计算SOC，以确保电池正确充电和放电。过度充电会带来安全问题，并产生化学降解和短路，导致火灾和气体危害。过度放电可能损坏电池，使电池寿命缩短50%以上。
精确且可靠的SOC和SOH计算在最好的情况下有助于将电池寿命从10年延长到20年，一般情况下也能使电池寿命增加30%，再包含维护费用后，这会将储能系统的总拥有成本降低30%以上。再加上更准确的SOC信息，就可以避免过度充电或过度放电的情况而导致快速耗尽电池，最大限度地降低短路、火灾和其他危险情况的可能性，帮助使用电池中的所有电量，并使电池能够尽可能以最好、最高效的方式充电。
高效且可靠的电池监控系统
ADI的 LTC6813 电池管理解决方案(BMS)可用于便携式超声设备等医疗健康设备、大规模（千兆瓦/小时）储能系统（用于医院、工厂、电网稳定、电动汽车充电基础设施和住宅单元），以及工业机器人和车辆。ADI技术的便携性在可靠性和安全性方面带来了巨大优势，它设计用于不同的恶劣环境，并且符合从汽车ASIL到工业SIL的各种功能安全标准（例如，VDE AR 2510-2/-50、IEC EN 61508等）。
这种具有最高效且可靠的电池监控系统的独特新解决方案，包含一个18单元监控器和平衡IC与微控制器到SPI从隔离接口的组合。多单元电池堆栈监控器可测量多达18个串联的电池单元，总测量误差小于2.2 mV。0 V至5 V的电池测量范围适合大多数电池化学应用。可在290 μs内测量所有18个电池单元，并选择较低的数据采集速率以便降噪。可将多个堆栈监控器件串联，以便同时监控很长的高压电池串。每个堆栈监控器都具有isoSPI™接口，用于高速、RF抗扰、远距离通信。多个器件以菊花链形式连接，并为所有器件连接一个主机处理器。该菊花链可双向操作，即使通信路径出错，也能确保通信完整性。电池堆栈可直接为IC供电，也可采用隔离电源为其供电。IC具有用于每个电池单元的被动式平衡和个别PWM占空比控制功能。其他特性包括一个板载5 V调节器、9个通用I/O线路和睡眠模式（在此模式下，功耗降至6 μA）。
ADI的LTC681x和LTC680x系列代表一流的电池堆栈监控器。18通道版本为LTC6813。为了支持客户设计自己的最终产品，ADI为电池监控设备提供了全系列评估系统和平台，以及满足所有需求的完整版本组合。
同时监控多达18个串联的电池单元
現在ADI新推出的ADBMS1818是一款多单元电池堆栈监测器，与本文中提到的LTC6813 兼容，可测量多达18个串联连接的电池单元，总测量误差小于3.0 mV。ADBMS1818具有0 V至5 V的电池测量范围，适合大多数电池化学应用。可在290 μs内测量所有18个电池单元，并选择较低的数据采集速率以便降噪。
在实际应用上，可将多个ADBMS1818器件串联，以便同时监测很长的高压电池串。ADBMS1818针对高压系统的可堆叠架构，每个都内置了isoSPI™接口，支持1Mb隔离式串行通信，可使用一根最长可达100米的双绞线，进行不受RF干扰的远距离高速通信。多个器件以菊花链形式连接，并为所有器件连接一个主机处理器，该菊花链可双向操作，即使通信路径出错，也能确保通信完整性。
电池堆栈可直接为ADBMS1818供电，也可采用隔离电源对其供电，ADBMS1818具有针对每个电池单元的被动式平衡和个别PWM占空比控制功能。其他的特性还包括一个板载5 V调节器、九个通用I/O线路和睡眠模式（在此模式下，功耗降至6 μA）。
ADBMS1818具有低EMI易感性和辐射，支持双向断线保护，只需290 μs即可测量系统中的所有单元，可进行同步电压和电流测量，并带有可编程三阶噪声滤波器的16位Δ-Σ ADC，支持无源电池平衡，最大200 mA（最大值），具有可编程脉冲宽度调制，以及9个通用数字I/O或模拟输入，可进行温度或其他传感器输入，并可配置为I2C或SPI主器件，休眠方式电源电流为6μA，采用64引脚的eLQFP封装。ADBMS1818可应用于备用电池系统、电网储能、住宅储能、不间断电源（UPS）、高功率便携式设备等领域。
评估板加快产品的开发速度
ADBMS1818也推出EVAL-ADBMS1818评估板，是一款多节电池组监测器演示电路，具有ADBMS1818，用于担任EVAL-ADBMS1818上的18节电池监测器。多个板可以通过一个2线隔离串行接口（isoSPI）连接起来，以监控堆栈中任意数量的电池。该演示电路还具有可逆isoSPI，可实现完全冗余的通信路径。
EVAL-ADBMS1818可以通过直接连接到DC2026 Linduino® One与PC通信。DC2026必须加载适当的程序（称为“草图”），以控制电池组监测器IC，并通过USB串行端口接收数据。DC2792/DC1941可以连接到DC2026，为EVAL-ADBMS1818提供完全隔离的isoSPI接口。
EVAL-ADBMS1818可由DC2026 Linduino One板控制，DC2026是与Arduino兼容的Linduino平台的一部分，该平台提供了示例代码，用于演示如何控制多节电池组监测器IC。与大多数Arduino兼容微控制器板相比，DC2026提供了便利性，例如可与PC的隔离USB连接、内置SPI MISO线路上拉电阻，以正确连接电池组监测器IC开漏SDO，以及通过EVAL-ADBMS1818简单带状电缆的14针QuikEval J3连接器，进行SPI通信的连接。
结语
具有平衡和通信功能的电池堆栈监测器，将可快速、精准地掌握电池的状态，以优化充放电的过程。采用ADI的解决方案，电池堆栈监测器出色的准确度和精度，将有助于优化现有的良好设计。此外，ADI为电池监控设备提供了全系列评估系统和平台，将可满足客户的各种要求。