實現(xiàn)不間斷能源的智能備用電池第三部分：電池管理系統(tǒng)

摘要

本文介紹ADI公司為開放計算項目(OCP)開放機架第3版(ORV3)備用電池單元(BBU)的電池管理系統(tǒng)(BMS)開發(fā)的算法。BMS是任何數(shù)據(jù)中心BBU必不可少的設備，其主要作用是通過監(jiān)視和調節(jié)電池包的充電狀態(tài)(SOC)、健康狀況和功率來確保電池包的安全。因此，BMS是數(shù)據(jù)中心中復雜而重要的組件，必須謹慎設計和實施。

簡介

在探索ADI公司的BBU參考設計時，有必要了解BMS的工作原理。BMS負責監(jiān)視和調節(jié)電池的狀況，確保電池在安全參數(shù)內運行。其中包括監(jiān)視電池堆電壓、電池堆溫度和電池堆整體電流水平，以及管理充電和放電周期。穩(wěn)健的BMS可以使系統(tǒng)實現(xiàn)理想效率和安全性。延長電池壽命對于維持峰值性能至關重要。在不知情的情況下頻繁過度充電或過度放電，會損害電池健康，縮短電池使用壽命。通過仔細監(jiān)測電池的健康狀態(tài)(SOH)并正確使用，可以避免電池意外關閉或故障，使電池發(fā)揮理想性能。

此外，監(jiān)視電池的SOC對于電池堆的整體健康狀況非常重要。隨著時間的推移，電池會損失容量，而電量耗盡至零會加速電池容量的損耗。延長電池壽命的理想方法是將電池電量保持在20%到80%之間。了解電池的SOC可確保BBU模塊持續(xù)運行更長時間。

除了SOH和SOC之外，還必須更好地了解放電深度(DOD)。DOD是使用充電電池時需要考慮的一個重要因素。它是指在單次放電循環(huán)中消耗的電池容量百分比。一般來說，為了延長電池整體壽命，建議避免將電池放電至20%DOD以下。然而，一些電池可以承受更深程度的放電而不會造成明顯損壞。務必查詢制造商的指南，了解特定電池的具體放電深度建議。

此外，仔細考量電池的化學特性至關重要。在BBU模塊的設計中，使用鋰離子(Li-ion)電池是一個謹慎的選擇。選擇鋰離子電池是因為它已得到廣泛使用，與OCP ORV3規(guī)范的要求完全一致。1這種一致性的背后原因在于鋰離子電池的優(yōu)良特性，即出色的能量密度和非常輕的重量。值得注意的是，深入研究鋰離子電池的化學成分揭示了一個至關重要的事實：鋰離子電池的化學成分是一個復雜的關鍵因素，始終決定著電池的性能、安全性和整體耐用性。

另一個需要考慮的方面是電池平衡。電池平衡是電池技術領域的一個重要概念。隨著對高效、高性能電池的需求不斷增加，實現(xiàn)理想的電池平衡變得越來越重要。電池平衡是指均衡電池包內各個電池的電壓或SOC的過程。在包含多個電池的電池包中，每個電池都有各自獨特的特性，并且隨著時間的推移，電池性能可能會發(fā)生變化。制造容差、電池容量變化以及使用模式差異等因素，都可能導致電池不平衡。這些不平衡可能造成電池總容量減少、效率降低，甚至電池包過早失效。相關設計要求BBU上有一個被動平衡器。因此，被動平衡涉及使用電阻來泄放或消耗電壓水平較高的電池中的多余能量。這種方法相對簡單且經(jīng)濟高效，但會導致能量損失和熱量產(chǎn)生。電池平衡可確保電池包中的每個電池都以理想水平運行，從而提高儲能系統(tǒng)的整體效率和有效性，有助于BBU模塊系統(tǒng)更加可持續(xù)和可靠地運行。BBU中使用的BMS微控制器是MAX32625。BMS微控制器負責兩個重要的過程。參見圖1。

圖1.連接到BMS IC (ADBMS6948)的BMS微控制器(MAX32625)。

1.與BMS IC (ADBMS6948)通信，獲取電池電壓、電池溫度、欠壓、過壓和整體電池堆電流水平的遙測數(shù)據(jù)。

2.通過I2C通信將從器件收集的所有遙測數(shù)據(jù)傳遞到主微控制器。

BMS微控制器通過SPI協(xié)議與ADBMS6948通信。通過發(fā)送適當?shù)拿畲a，BMS微控制器允許該器件收集遙測數(shù)據(jù)并同時執(zhí)行操作。參見圖2。從BMS IC收集的所有數(shù)據(jù)都將由BMS MCU發(fā)送和處理。

圖2.BMS微控制器發(fā)送命令和存儲BMS芯片數(shù)據(jù)的過程。

BMS微控制器的另一個重要任務是將收集到的數(shù)據(jù)發(fā)送到主微控制器，用于充電和放電算法及風扇轉速控制。這是通過與BMS微控制器進行I2C協(xié)議通信，然后由主微控制器讀取寄存器來完成的。BMS微控制器的寄存器映射如表1所示。

請注意，目前所有BMS微控制器寄存器都是只讀寄存器。構建日期和序列號僅采集一次，然后存儲在主微控制器的外部EEPROM中。

電池檢測和平衡操作

電池充電技術

恒壓(CV)和恒流(CC)是電池充電系統(tǒng)中采用的兩種不同充電技術，可優(yōu)化充電過程并延長電池壽命。

CV充電

CV充電是一種在充電初始階段向電池堆施加固定電壓的充電方法。充電過程開始時，BBU模塊工作在充電模式，保持44V的穩(wěn)定電壓水平，充電電流從5A開始，隨著電池SOC的增加而逐漸減小。這種方法對于防止過度充電特別有效，因為電壓保持恒定，不會超過電池的安全電壓限值。電池堆電壓達到37V至40V或預定義閾值后，充電器可能會轉變到其他充電階段，例如將充電電流從5A減少到0.5A。

CC充電

CC充電則是向電池堆端子施加一致的充電電流。在此階段，充電電流保持在5 A不變，而電池電壓隨著電池充電的進行而逐漸升高。

該方法對于初始充電水平較低的電池堆快速充電特別有用。它確保電流以受控方式流入電池堆，直至達到一定的電壓水平。電池堆電壓達到預定點后，充電過程可以轉變到其他階段，例如將恒定電流從5A減小到2A，或者進入恒壓階段。

在BBU模塊電池堆充電模式中，CV和CC充電方法經(jīng)常結合使用，以獲得理想的充電曲線。前期CC階段幫助快速向電池傳輸能量，而后期CV階段則通過限制電壓來避免過度充電。這種組合技術可實現(xiàn)高效充電，延長電池壽命，并保持電池包的安全性和性能。正確實施CV和CC充電機制對于BBU模塊充電操作至關重要。

電池檢測方法

電池檢測方法是電池管理系統(tǒng)的一個關鍵方面。此技術旨在精準確定電池包中每個電池的電壓和狀態(tài)。電池檢測方法采用復雜的檢測電路和測量算法，讓系統(tǒng)能夠收集有關每個電池的電壓、溫度和整體健康狀況的實時數(shù)據(jù)，然后利用這些信息做出有關充電、放電和平衡操作的明智決策，從而優(yōu)化電池包的性能、安全性和使用壽命。有效的電池檢測對于維持現(xiàn)代儲能系統(tǒng)的整體效率和可靠性至關重要。

ADBMS6948有11個ADC，專門用于檢測電池包的11個差分電池輸入。電池堆采用11路串聯(lián)和6路并聯(lián)配置，并連接到C0至C10引腳，即BMS的ADC。ADC的輸入范圍為-2.5V至+5.5V，采樣頻率約為4MHz，每1ms產(chǎn)生16位結果，LSB為150μV。另有11個ADC專門利用S引腳同時測量11個差分輸入，輸入范圍為0 V至5.5 V，采樣頻率約為4 MHz，每8 ms產(chǎn)生13位結果，LSB為1.6 mV。這些S-ADC通過完全獨立于C-ADC的測量方法實現(xiàn)冗余電池電壓測量。

被動平衡操作

被動平衡是電池系統(tǒng)管理中常用的技術，它采用無源元件（特別是電阻）和并聯(lián)在每個電池上的集成MOSFET來實現(xiàn)電池平衡。這些集成元件承擔電壓泄放器或能量耗散器的作用，有利于讓表現(xiàn)出較高電壓或能量狀態(tài)的電池以受控方式耗散多余的能量，使得電池之間的電壓電位或能量狀態(tài)逐漸協(xié)調一致，從而在較長時間內促進電壓和能量平衡。

如果電池包中的電池變得不平衡，BMS必須通過讓電壓較高的電池放電來達成平衡。ADBMS6948上的S-ADC引腳可用于對單個電池進行放電。S-ADC引腳上內置的MOSFET可用于對電池進行放電。每個S-ADC引腳都可以使用PWM單獨或連續(xù)控制。通過配置PWMA、PWMB和CFGB寄存器，還可以在BMS微控制器處于休眠工作模式時平衡電池。

使用庫侖計數(shù)器的電池充電

庫侖計數(shù)器的主要作用是準確測量流入流出電池或電路的電荷量（以庫侖為單位）。通過這種測量，可以更好地控制電池堆充電和放電，從而延長電池堆壽命，提高效率，并且更準確地監(jiān)測容量。

ADBMS6948集成了庫侖計數(shù)器，因此可以監(jiān)測充電過程中流經(jīng)電池的電荷量。庫侖計數(shù)器也稱為集成電流傳感器或電荷監(jiān)測器，用于測量流入或流出電池的電荷總量（以庫侖為單位）。使用庫侖計數(shù)器進行電池充電時，計數(shù)器會監(jiān)測輸送到電池的電荷量。這是通過測量流經(jīng)電池的電流并將其對時間積分以計算總電量來完成的。因此，估計電池的SOC并實施充電算法可以優(yōu)化充電過程。

ADBMS6948庫侖計數(shù)器的基本操作涉及將流入流出電池堆的電流對時間積分，以計算傳輸?shù)目傠姾伞Ｆ涔ぷ髟砣缦拢?

電流測量：該器件測量流入或流出電池堆的電流。這通常利用電流傳感器（例如連接在電池堆低端的分流電阻）來完成。

積分：使用ADBMS6948將測得的電流對時間積分。積分涉及定期對電流值求和以計算累積電荷。

容量計算：累積電荷轉換為安時(Ah)或庫侖，以提供有關電池堆剩余容量的信息。

監(jiān)視與顯示：計算出的容量經(jīng)過處理后傳輸?shù)街鱉CU，并顯示在圖形用戶界面上以供進一步處理。該信息對于電池管理、確定SOC以及防止過度充電或過度放電非常有價值。

充電時，庫侖計數(shù)器會連續(xù)測量流過電池的電流，并將其對時間積分。通過了解電池的初始SOC，可以將積分電量與初始值相加來估計充電期間的SOC。此估計有助于防止過度充電，并支持實施充電算法，根據(jù)溫度、電池使用時間和化學成分等因素優(yōu)化充電過程。

請查看ADI公司之前的文章，了解電池平衡和電池壽命優(yōu)化技巧。對于希望詳細了解該主題的人士，強烈建議閱讀這些資源。Kevin Scott和Sam Nork撰寫了兩篇關于電池平衡類型的文章：“被動電芯平衡”和“主動電芯平衡”。有關電池特性測試的更多信息，請參閱“配合電量計使用的鋰離子電池特性測試”。

總結

綜上，ADI公司的ADBMS6948 BMS與BBU的集成至關重要。BMS具有許多優(yōu)點，可以改善電池系統(tǒng)的性能、安全性、可靠性和壽命。通過優(yōu)化電池性能，良好的BMS有助于最大限度延長電池壽命和提高容量，確保高效利用電池的儲能能力。BMS可以主動管理充電和放電過程，防止過度充電、過度放電和過熱，避免損壞電池。安全性是一個關鍵方面，尤其是對于電池系統(tǒng)。BMS整合了安全功能和監(jiān)控機制，以防止熱失控并最大限度地減少潛在危險。它能防范過流、過壓和異常溫度情況，從而保護電池系統(tǒng)和周圍環(huán)境。能效是BMS的另一大優(yōu)勢。優(yōu)化充電和放電過程可最大限度地減少能量損失，并提高BBU的整體效率。這意味著可以節(jié)省成本，減少對環(huán)境的影響，增加可用能源的利用率。

BMS還能準確監(jiān)測和估算電池堆的SOC和SOH。這些信息對于正確管理電池使用情況、計算剩余運行時間以及規(guī)劃維護或更換時間至關重要。添加庫侖計數(shù)器對于精確測量和監(jiān)測非常重要。此信息對于在各種應用中實現(xiàn)高效電池管理和延長電池壽命至關重要，有利于提高系統(tǒng)可靠性并降低意外故障的可能性。

總之，BBU中包含的ADI ADBMS6948 BMS在保證數(shù)據(jù)中心的性能、安全性和可靠性方面發(fā)揮著重要作用。它可以提供每位用戶都應該了解的關鍵信息，以幫助延長電池使用壽命。

本系列的第四部分——“實現(xiàn)不間斷能源的智能備用電池第四部分：BBU架的操作”——將介紹ADI公司如何設計和實現(xiàn)圖形用戶界面，同時允許用戶與BBU架上的六個BBU模塊進行通信并從中收集數(shù)據(jù)。該文還會說明作為BBU架專用MCU的MAX32625的功能和操作。

“實現(xiàn)不間斷能源的智能備用電池第一部分：電氣和機械設計”討論了BBU的電氣和機械設計考慮因素?！皩崿F(xiàn)不間斷能源的智能備用電池第二部分：BBU微控制器的功能和操作”進一步詳細介紹了主微控制器的軟件。

參考文獻

1David Sun?！伴_放機架/規(guī)格和設計?！遍_放計算項目。