OCP ORV3 智能電池備用裝置的電池管理系統(tǒng)

本文介紹了針對開放計算項目 (OCP) Open Rack V3 (ORV3) 電池備份單元 (BBU) 開發(fā)的電池管理系統(tǒng) (BMS) 算法，BMS 是任何數(shù)據(jù)中心 BBU 的必備設備。其主要職責是通過監(jiān)控和調節(jié)電池組的充電狀態(tài) (SOC)、健康狀況和功率來確保電池組的安全。因此，設計和實施 BMS 時必須非常謹慎，因為它是數(shù)據(jù)中心中復雜而重要的組件。

在探索 ADI 的 BBU 參考設計時，有必要了解 BMS 的工作原理。BMS 負責監(jiān)控和調節(jié)電池的狀態(tài)，確保其在安全參數(shù)范圍內運行。這包括監(jiān)控電池組電壓、電池組溫度和整體電池組電流水平，以及管理充電和放電周期。實施強大的 BMS 可實現(xiàn)系統(tǒng)級解決方案的最佳效率和安全性。確保電池壽命長對于實現(xiàn)最佳性能至關重要。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并縮短電池壽命。通過仔細監(jiān)控電池的健康狀態(tài) (SOH) 并正確使用電池，電池將避免任何不合時宜的關機或故障，并發(fā)揮最佳性能。

此外，監(jiān)控電池的 SOC 對電池組的整體健康至關重要。隨著時間的推移，電池容量會下降，而將電池電量耗盡會加速這一過程。電池壽命的最佳時間是將電池電量保持在 20% 至 80% 之間。了解電池的 SOC 可確保 BBU 模塊在更長的時間內保持功能正常。

除了 SOH 和 SOC 之外，還必須更好地了解放電深度 (DOD)。DOD 是使用可充電電池時需要考慮的重要因素。它指的是單次放電周期中消耗的電池容量百分比。一般來說，建議避免將電池放電至低于 20% DOD，以延長其整體壽命。但是，有些電池可以承受更深的放電而不會造成嚴重損壞。務必查閱制造商的指南，了解特定電池的具體放電深度建議。

此外，必須仔細考慮電池化學方面。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。這一選擇源于鋰離子電池的廣泛使用，這與 OCP ORV3 規(guī)范要求的采用無縫契合。[1] 這種契合背后的原理是鋰離子電池的卓越特性，即其卓越的能量密度和極低的重量。值得注意的是，深入研究鋰離子電池的化學性質會揭示一個至關重要的事實：它們的成分是一個復雜的關鍵因素，它總是決定著它們的性能、安全性和整體耐用性。

另一個需要考慮的領域是電池平衡。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)最佳電池平衡變得越來越重要。電池平衡是指均衡電池組內各個電池的電壓或 SOC 的過程。在多電池電池組中，每個電池都有自己獨特的特性，并且性能可能會隨著時間的推移而發(fā)生變化。制造公差、電池容量變化和使用模式差異等因素可能會導致電池不平衡。這些不平衡可能導致整體電池容量減少、效率下降，甚至電池組過早失效。設計要求在 BBU 上安裝一個被動平衡器。因此，被動平衡涉及使用電阻器從電壓水平較高的電池中釋放或耗散多余的能量。這種方法相對簡單且經(jīng)濟高效，但可能導致能量損失和發(fā)熱。通過確保電池組中的每個電池都以最佳水平運行，電池平衡可提高儲能系統(tǒng)的整體效率和有效性，從而有助于 BBU 模塊系統(tǒng)更可持續(xù)、更可靠地運行。BBU 中使用的 BMS 微控制器是電池平衡可提高儲能系統(tǒng)的整體效率和有效性，有助于 BBU 模塊系統(tǒng)更可持續(xù)、更可靠的運行。BBU 中使用的 BMS 微控制器是電池平衡可提高儲能系統(tǒng)的整體效率和有效性，有助于 BBU 模塊系統(tǒng)更可持續(xù)、更可靠的運行。BBU 中使用的 BMS 微控制器是MAX32625。BMS微控制器負責兩個重要過程。見圖1。

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

1. 與 BMS IC ( ADBMS6948 ) 通信以獲取電池電壓、電池溫度、欠壓、過壓和整體電池組電流的遙測數(shù)據(jù)

2. 通過 I2C 通信將從設備收集的所有遙測數(shù)據(jù)傳送到主微控制器。

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 微控制器允許設備收集遙測數(shù)據(jù)并同時執(zhí)行其操作。參見圖 2。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微控制器對BMS芯片發(fā)出命令和存儲數(shù)據(jù)的過程。

BMS 微控制器的另一項重要任務是將收集的數(shù)據(jù)發(fā)送到主微控制器，用于充電和放電算法以及風扇速度控制。這是通過 I 2 C 協(xié)議與 BMS 微控制器通信完成的，寄存器由主微控制器讀取。BMS 微控制器的寄存器映射見表 1。

表 1. BMS 微控制器寄存器映射

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被捕獲一次，并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

恒定電壓 (CV) 和恒定電流 (CC) 是電池充電系統(tǒng)中采用的兩種不同的充電技術，用于優(yōu)化充電過程并延長電池壽命。

恒壓充電

CV 充電是一種充電方法，在充電的初始階段向電池組施加固定電壓。充電過程開始時，BBU 模塊處于充電模式，并保持 44 V 的穩(wěn)定電壓水平，同時允許 5 A 的充電電流隨著電池 SOC 的增加而逐漸減小。這種方法在防止過度充電方面特別有效，因為電壓保持恒定并且不超過電池的安全電壓限值。一旦電池組電壓達到 37 V 至 40 V 或預定義閾值，充電器可能會轉換到不同的充電階段，例如將充電電流從 5 A 降低到 0.5 A。

CC 充電

另一方面，CC 充電涉及向電池組端子施加恒定的充電電流。在此階段，充電電流保持恒定在 5 A，而電池電壓隨著電池充電而逐漸上升。

該方法對于快速充電初始電量較低的電池組尤其有用。它確保電流以受控方式流入電池組，直到達到某個電壓水平。一旦電池組電壓達到預定點，充電過程可能會轉換到不同的階段，例如將恒定電流從 5 A 降低到 2 A 或恒定電壓階段。

在 BBU 模塊電池組充電模式中，CV 和 CC 充電方法經(jīng)常結合使用，以獲得最佳充電曲線。早期 CC 階段有助于快速向電池輸送能量，而第二個 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組的安全性和性能。正確的 CV 和 CC 充電機制實施對于 BBU 模塊充電操作至關重要。

Cell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。該技術旨在準確確定電池組中每個電池的電壓和狀態(tài)。通過采用復雜的傳感電路和測量算法，電池檢測方法使系統(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，從而確保電池組的最佳性能、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 的 11 個 ADC 專用于感測電池組的 11 個差分電池輸入。電池組采用 11 串聯(lián)和 6 并聯(lián)配置，并連接到 C0 至 C10 引腳，即 BMS 的 ADC。它們的輸入范圍為 –2.5 V 至 +5.5 V，采樣頻率約為 4 MHz，每 1 毫秒產(chǎn)生 16 位結果，LSB 為 150 μV。另外 11 個 ADC 專用于同時測量 11 個差分輸入，使用 S 引腳，輸入范圍為 0 V 至 5.5 V，采樣頻率約為 4 MHz，每 8 毫秒產(chǎn)生 13 位結果，LSB 為 1.6 mV。這些 S-ADC 通過與 C-ADC 完全獨立的測量方法實現(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)管理中常用的一種技術，其中將被動元件(特別是電阻器)的使用與與各個電池并聯(lián)布置的 MOSFET 集成相結合。這些集成元件充當電壓泄放器或能量耗散器的角色，有助于控制電壓或能量狀態(tài)升高的電池中剩余能量的耗散。其結果是電池單元之間的電壓電位或能量狀態(tài)逐漸協(xié)調，從而促進長時間內的電壓和能量平衡。

如果電池組中的電池不平衡，則必須通過放電電壓較高的電池來平衡 BMS。ADBMS6948 上的 S-ADC 引腳可用于放電單個電池。S-ADC 引腳上的內置 MOSFET 可用于放電電池。每個 S-ADC 的引腳都可以單獨控制或使用 PWM 連續(xù)控制。通過配置 PWMA、PWMB 和 CFGB 寄存器，在 BMS 微控制器處于睡眠模式時平衡電池也是可行的。

使用庫侖計對電池進行充電

庫侖計的主要用途是準確測量流入和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組的充電和放電，確保更長的電池組壽命、更高的效率和更準確的容量監(jiān)控。

ADBMS6948 具有集成庫侖計。這樣可以監(jiān)控充電過程中流過電池的電荷量。庫侖計也稱為集成電流傳感器或電荷監(jiān)控器，用于測量傳輸?shù)诫姵鼗驈碾姵貍鬏數(shù)目傠姾闪?以庫侖為單位)。當使用庫侖計為電池充電時，計數(shù)器會監(jiān)控傳輸?shù)诫姵氐碾姾闪?。這是通過測量流過電池的電流并隨時間積分來計算總電荷來實現(xiàn)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 庫侖計的基本操作是將流入或流出電池組的電流隨時間積分，以計算傳輸?shù)目傠姾?。其工作原理如下?

· 電流測量：該設備測量流入或流出電池的電流，這通常使用電流傳感器(例如連接在電池組低壓側的分流電阻器)來完成。

· 積分：使用 ADBMS6948 對測量的電流進行隨時間積分。積分涉及定期匯總電流值以計算累積電荷。

· 容量計算：累計電量轉換為安培小時 (Ah) 或庫侖。這提供了有關電池組剩余容量的信息。

· 監(jiān)控和顯示：計算出的容量經(jīng)過處理，傳輸?shù)街?MCU，并顯示到圖形用戶界面以供進一步處理。這些信息對于電池管理、確定 SOC 以及防止過度充電或過度放電非常有用。

充電時，庫侖計會持續(xù)測量流過電池的電流，并隨時間積分。通過了解電池的初始 SOC，您可以通過將積分電荷添加到初始值來估算充電期間的 SOC。此估算有助于防止過度充電，并允許實施充電算法，以優(yōu)化充電過程，以適應溫度、電池年齡和化學性質等因素。

概括

因此，將 ADI 的 ADBMS6948 BMS 與 BBU 集成至關重要。BMS 具有許多優(yōu)勢，可提高電池系統(tǒng)的性能、安全性、可靠性和使用壽命。通過優(yōu)化電池性能，良好的 BMS 有助于最大限度地延長電池壽命和容量，確保高效利用其儲能能力。它主動管理充電和放電過程，防止過度充電、過度放電和過熱，從而損壞電池。安全性是一個關鍵方面，尤其是對于電池系統(tǒng)而言。BMS 結合了安全功能和監(jiān)控機制，以防止熱失控并最大限度地減少潛在危險。它可以防止過流、過壓和異常溫度情況，保護電池系統(tǒng)和周圍環(huán)境。能源效率是 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源損失并提高 BBU 的整體效率。這意味著節(jié)省成本、減少環(huán)境影響并增加可用能源的利用率。

BMS 還能準確監(jiān)測和估計電池組的 SOC 和 SOH。這些信息對于正確管理電池使用、計算剩余運行時間以及規(guī)劃維護或更換至關重要。添加庫侖計對于精確測量和監(jiān)測非常重要。這些信息對于高效電池管理和延長各種應用中的電池壽命至關重要，從而提高系統(tǒng)可靠性并降低意外故障的可能性。

總體而言，ADI 的 ADBMS6948、BBU 中的 BMS 在保證數(shù)據(jù)中心的最佳性能、安全性和可靠性方面發(fā)揮著重要作用。它提供了每個用戶都應該了解的關鍵信息，以延長其可服務性操作。