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储能与电动汽车应用爆发下,安全可靠的电池管理需先解决隔离通信挑战

时间:2021-11-26 作者:ADI 阅读:
随着汽车设计转向电气化,以及风能和太阳能等可再生能源的部署速度加快,并不断与新推出的储能和电池技术融合。高功率电子成为电池系统的关键部件。这些电子需要与低压数字控制器通信并由其控制,如何实现安全迅速的接口通信是设计可靠电池管理系统的一大挑战。

市场调研架构的数据表明,随可再生能源发电占比提升,消纳、输配、波动等问题显现,储能的刚性需求逐渐显现。2020年全球新增电化学储能5.3GW/10.7GWh,同比+57%,主要得益于中国(新增1.2GW/2.3GWh,同比+168%)和美国(新增1.1GW/2.6GWh,同比+207%)储能市场的迸发,全球累计装机16.5GW/33.1GWh。另一边厢,欧洲市场在最严碳排放标准、补贴政策的共同推动下,电动汽车市场持续走强,20年欧洲地区全年实现137万辆的销量,同比增长140%;中国市场C端消费接棒B端网约车需求,品质驱动的中高端车型、成本驱动的入门车型成两大亮点,2020年累计销量137万辆,同比增长11%。

随着汽车设计转向电气化,以及风能和太阳能等可再生能源的部署速度加快,并不断与新推出的储能和电池技术融合。高功率电子成为电池系统的关键部件。这些电子需要与低压数字控制器通信并由其控制,如何实现安全迅速的接口通信是设计可靠电池管理系统的一大挑战。

支持双向可逆通信方式新一代BMS芯片

对电动汽车和储能系统而言,电池系统需要若干电池包构成能源系统,它需要把多个电池包串联在一起。BMS的主要功能就是通过监控单个电芯和电池包的电压、电流、温度、荷电状态(SOC)、健康状态(SOH)及其他相关功能,实现对这些由多个电池包组成的超大电池堆的全局控制。

因此,BMS测量电路必须精准快速,具有高共模电压抑制能力,功耗低,并能与其他器件安全通信。针对多个电池包的串联,ADI具有菊花链接口的电池监控器BMS解决方案ADBMS1818是一款多单元电池堆监控器,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。

与此同时,对于充电来讲,每个电芯的容量是不一样的,而且它的充放电能力也都会有微小的误差。针对过充或者欠充的方式,可以通过被动的均衡来加以平衡。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,可以提供200毫安的均衡能力。其他特性包括一个板载5V调节器、九个通用数字I/O线路可以作为温度的测量,以及睡眠模式(在此模式下,功耗降至6μA)。在这些过程中,需要进行电池参数的信息通信,如何实现可靠安全的通信?ADI的解决方案采用了隔离SPI接口的BMS通信技术。

与传统的菊花链通信结构不同,ADBMS1818集成了隔离的SPI接口,与SPI主控制器的通信通过 LTC6820 isoSPI转SPI信号转换器实现,这样便把电池包组成非常安全、可靠的区块链形式,共同构建了一个全面的储能系统堆叠方式EV BMS模拟前端(AFE)。这种可堆叠多节电池监控器,在物理上一旦当中有损耗,控制器端都可以通过隔离SPI读到每个芯片的数据,增加了整个电池管理系统的可靠性。

当隔离SPI接口把所有电池包的通信数据串联在一起的时候,它最后往往需要跟MCU做一个协议的转化。ADI SPI收发器LTC6820能够在两个完全电气隔离的器件之间实现SPI通信所需的双向数据传输。它将来自主服务器的SPI信号编码为速率最高1Mbps的差分信号,然后通过电气隔离栅和双绞线传输。到了电缆另一端之后,差分信号再次由LTC6820接收并解码为SPI信号,然后再路由到从服务器总线。LTC6820还提供驱动信号通过隔离栅所需的电流。这些电流通过外部电阻,调整为符合系统要求的值,例如所需的线缆长度、SNR和抗扰度。得益于该器件的创新式设计,可以使用双绞线电缆和适用的变压器来增强电气隔离,由此相对轻松地最大化SPI通信。

高精度电荷能量计IC全面监测电池状态

在一些储能系统当中,每个电池架会有一个总线,总线上面的电压电流是决定整个电池包有多少功率,然后来管理它充放电的。本身这个系统也需要芯片来进行电压和电流的测量,包括未来的一些功率计算。

因此,ADI为满足整包设计,推出了高精度电流、电压、温度、电荷、功率、电能计量器件LTC2949,可以做整包总线的监测。因为其有4个电流通道,同时有7个方向的电压通道,可把整个母线侧的电压电流,包括跟保护相关的两侧电压电流都进行测量,同时有一定精度的功率和电能的输出。通过测量这些关键参数,系统设计人员就有了必要的数据来计算整个电池堆的实时SOC和SOH,以及其他品质因数。

下图给出了用在高边电流检测配置中的LTC2949的框图,LTC2949采用可调浮动拓扑,因而能够监视电压非常高的电池堆,而不受其自身的14.5V电压额定值的束缚。LTC2949的电源通过LT8301隔离反激式转换器提供,VCC连接到电池正极。

本文小结

为应对未来汽车电气化所必须的直流快速充电基础设施建设所面临的挑战,汽车制造商通常使用多种BMS监视拓扑以及通过低功耗SPI和isoSPI接口进行IC间通信来满足其对准确性、可靠性、易制造性、成本和功耗的需求。

ADI新一代BMS芯片ADBMS1818可测量每个电芯上面的电压,以菊花链的方式把数据信息链接起来,通过LTC6820与电池包的监控系统所用的MCU连在一起,组成可靠的双向可逆通信方式。同时,LTC2949作为一个可选的总线电压电流的监测,也可以跟电池整体的控制单元放在一起,整体构成一个完整的电池架,可大大简化储能应用到电动汽车的电池管理系统设计。

责编:Amy Wu

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