物联网
返回首页

储能系统:如何轻松安全地管理电池包

2024-09-19 来源:EEWORLD

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:


  • 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。

  • 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。

  • 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。


image.png

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:


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)。


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)。


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)。


u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。


image.png

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。


image.png

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。


image.png

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。


image.png

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。


借助ADI公司的BMS控制器解决方案,用户将能够:


  • 同时评估多个AFE,因为该解决方案针对的是可堆叠和可扩展架构。不需要额外的isoSPI收发器板。

  • 无缝调试BMS系统,因为该板搭载了JTAG、状态LED以及丰富的连接器和接口。

  • 利用开源硬件和软件缩短产品上市时间。


ADI公司的BMS控制板具备BESS所需的关键特性,并为未来的发展提供了一个灵活的基础平台。


参考资料


1 “锂离子电池储能解决方案”,ADI公司,2022年。“储能解决方案”,ADI公司

2 Amina Bahri。AN-2093:ADBMS1818从属模块解决方案”,ADI公司,2021年。


关于作者


Paulo Roque是储能系统部的系统应用工程师,目前常驻爱尔兰利默里克。他于2013年加入ADI公司,先后担任过多个职位,参与过多种产品的研发,近期主要专注于磁性产品。Paulo毕业于爱尔兰利默里克大学,获机器人学士学位。


Amina Joerg是工业团队的现场应用工程师,常驻德国。她自2018年起在ADI公司工作,历任多个职位,目前在能源部担任系统应用工程师。Amina毕业于德国肯普滕应用技术大学,获电气工程硕士学位。


进入物联网查看更多内容>>
相关视频
  • 微波毫米波电路分析与设计

  • 天线原理与基本参数

  • Digi-Key: Follow Me 系列(1) 直播回放及答疑记录

  • 无线感测网络

  • 微波五讲

  • 天线原理 哈工大 林澍

精选电路图
  • 红外线探测报警器

  • 短波AM发射器电路设计图

  • 使用ESP8266从NTP服务器获取时间并在OLED显示器上显示

  • 开关电源的基本组成及工作原理

  • 基于ICL296的大电流开关稳压器电源电路

  • 基于TDA2003的简单低功耗汽车立体声放大器电路

    相关电子头条文章