使用先進的電池監測器、電芯平衡及 I/O 隔離技術設計堅固耐用的 BMS 核心

充電電池是電池儲能系統 (BESS) 的基礎元件，且有越來越多不同的化學成分整合並運用在由數十、數百甚至數千個電芯組成的電池組中，以便提供更高電壓且更有效率的運作。對電池管理系統 (BMS) 的設計人員來說，若要用這種配置達成最佳效能、效率、可靠性與安全性，會面臨幾個難題。

舉例而言，設計或挑選可符合此應用需求的積體電路 (IC)，就必須深入瞭解電池化學、充電、監測、負載平衡、隔離、安全性及通訊技術，才能有效實作。

為了協助解決這些難題，廠商已將許多必要的功能整合到大多不受處理器影響的專用 IC 中。這些 IC 大多都支援不同的鋰基電池化學成分以及非鋰電池。會收集電芯數據，並做出最佳化的即時電池管理決策與操作。還會向系統處理器提供有關電芯狀態和情況的資料。

本文將概述多電芯電池組獨特的要求。接著會介紹 Analog Devices 推出的精細型特定應用最佳化 IC，然後說明如何利用這些 IC 來符合要求。

高電芯數電池組有額外的挑戰

電池組的基本接線圖，有多個電芯串聯達到更高電壓，也有並聯達到更大電流，看似相當簡單。這表示該佈局僅僅是由一個或少數電芯組成的電池組加以延伸，因此需要的管理非常少。這些多電芯電池組會用於需要 18 V 或 48 V 的電動工具、需要 400 V 或 800 V 的電動車，以及通常需要 1,500 V 的 BESS 等應用。

實際上，這些較大電池組具有遠超乎線路圖呈現般的細微差異和複雜性。隨著電芯和電池組的數量增加，管理上的挑戰也指數級提升。

首先，必須監測個別電芯的終端電壓、充放電曲線、電量狀態 (SoC)、溫度以及即將故障的跡象。此外，必須集中管理眾多電芯，但也要註明且考量個別的差異。

若缺乏一套通用的規則，會進一步擴大電池電芯的管理複雜性。策略適當與否同樣要取決於電池化學成分。主要化學成分之間有所不同，例如鋰離子 (Li-ion) 和鉛酸電池，甚至特定廣義化學成分內，例如各種鋰離子的配方之間也有所差異。因此，高階的 BMS 策略就必須依據其管理的電芯化學成分量身打造。

由於高壓、高蓄電量的電池組中，電芯數量眾多且必須符合多項安全規範，局部的電芯監測與管理是最可行的工程解決方案。雖然系統通常會有主控處理器，但通常只能對局部電芯監測提供較高層次的監督準則，並可評估電池組的整體效能。個別的電池電芯監測與管理會由自主式電子裝置執行，其可提供即時功能，且在執行時大多數無需系統級處理器的介入。

被動與主動式電芯平衡

電芯平衡對於維持多電芯電池組的完整性來說相當關鍵，並可確保某些電芯不會過度負載，其他電芯也不會低度利用。因此可避免電芯和電池組受損，發揮最大化效能。平衡可確保電池組內所有電芯同時達到最大蓄電量，避免過度充電、SoC 不均勻、過度放電以及提早劣化，以便最終延長電池壽命。

有兩種平衡作法：主動和被動。主動式平衡比被動平衡更準確且更快速，但在實作上較為複雜。會使用主動電路來重新分配電池組中電芯之間的電量，以確保都具有相同的 SoC。此電路會監測每個電芯的電壓，並依情況調整充放電電流。

相反地，被動式平衡則仰賴歐姆定律和平衡電阻，讓電芯達到相同的 SoC。除了比主動式平衡更不準確且速度較慢外，被動式平衡還會因為電芯充電量較高，而消耗 (浪費) 多餘能量。

從多電芯監測開始

雖然市面上已有許多現成的 ESS 解決方案，但 BMS 有兩個關鍵的「動作核心」功能，就是個別電芯的監測與平衡。像 ADES1830CCSZ (圖 1) 這樣的 IC，就是一款 16 通道、多電芯、多化學成分的電池監測器，不僅能因應這些功能，還添加許多關鍵特點，可支援並簡化整體系統的設計與運作。

圖 1：多電芯、多化學成分 ADES1830CCSZ 電芯監測器可當作完整 BMS 的基礎構建模塊。(圖片來源：Analog Devices)

此多電芯電池堆疊監測器可測量多達 16 個串聯電芯，在完整的溫度範圍內，終身總測量誤差 (TME) 小於 2 mV；另一款幾乎相同的 ADES1831CCSZ 則具有稍高的 TME，約為 5 mV。量測輸入範圍介於 -2 V 至 5.5 V，因此 ADES1830 和 ADES1831 皆可用於大多數電池化學成分。

為了在監測大量電芯的電池組時支援一致性，可利用雙重一體式類比數位轉換器 (ADC) 同時測量所有電芯且備援測量。這些 ADC 能持續以每秒 4.096 百萬取樣點 (MSPS) 的高取樣率運作，因此可減少外部類比濾波器並達到無混疊的量測結果。若有需要，可透過後續可編程無限脈衝回應 (IIR) 濾波器來達到額外的雜訊降低效果。ADES1830 和 ADES1831 也具備被動式平衡功能，可使用個別的脈寬調變 (PWM) 負載週期控制，並針對各個電芯，支援最高 300 毫安培 (mA) 的放電電流。

雖然單一 ADES1830 或 ADES1831 裝置僅支援串聯 16 個電芯，但可連接多個裝置，就可同時監測又長又高壓的電池串電芯。為促進跨 IC 連接，每個裝置都有一個隔離式序列埠介面 (isoSPI)，可用於高速、RF 耐受的遠距通訊，並可由使用者選擇的電容或變壓器提供隔離。

如此一來，只需單一主機處理器連接即可讀取資料並監督整個電池串。這個序列埠連結可以雙向運作，即使通訊路徑中發生故障時，也可確保完整性。

為了讓這些多電芯監測器達到最佳化適用性，Analog Devices 有提供 EV-ADES1830CCSZ 評估板 (圖 2 左)。為了提升真實性，可透過 isoSPI 介面將多個評估板連結，以監測堆疊中一長串的電芯 (圖 2 右)。

圖 2：ADES1830 和 ADES1831 (左) 的 EV-ADES1830CCSZ 評估板包含多通道輸入，可用於電芯電壓讀取、電芯平衡電路以及 isoSPI 連接埠連接 (右)。(圖片來源：Analog Devices)

增強型電芯平衡可發揮最佳效能

要讓更大的多電芯電池組發揮最佳化效能，就需要增強型電芯平衡功能。為了因應此挑戰，Analog Devices 提供 ADES1754GCB/V+ (圖 3)，這是一款 14 通道、高電壓、多化學成分的電池平衡 IC 數據採集系統，專為管理高壓和低壓電池模組而設計。

圖 3：ADES1754GCB/V+ 14 通道、高壓、多化學成分數據採集 IC 可支援先進的電池平衡技術。(圖片來源：Analog Devices)

此系統可在 162 微秒 (μs) 內使用完全備援的量測引擎，測量 14 個電芯電壓及 6 個溫度。又或者可以單純以 ADC 量測引擎在 99 μs 內評估所有輸入。

若是主動式電芯平衡，會有 14 個內部平衡開關，其額定電芯平衡電流超過 300 mA，可加以切換來支援廣泛的內建診斷功能。透過這些開關，就可配置 IC，以利用單獨電池計時器或依據電池電壓來實作自動化平衡。此 IC 亦提供緊急放電模式。

能以菊鏈方式連接最多 32 個這類裝置，以管理高達 448 個電芯並監測 192 個溫度。電芯與匯流排的電壓介於 -2.5 V 至 5 V，會在 65 V 共模範圍內以差動方式測量，典型準確度為 100 μV。為了達到健全的通訊，系統使用 Analog Devices 的電池管理 UART 協定，並支援用 I²C 控制器介面以管理外部裝置。

就像 ADES1830 及 ADES1831，Analog Devices 也有提供 ADES1754EVKIT# 評估板 (圖 4 左)，可改進導入設計體驗並縮短設置時間。電路板的實體布局 (圖 4 右) 經過最佳化，以便有效連接多個電芯以及隔離的處理器 I/O。

圖 4：ADES1754EVKIT# (左) 可加速 ADES1754 的導入設計流程；其實體佈局 (右) 更經過最佳化，可有效連接多個電芯及隔離的處理器 I/O。(圖片來源：Analog Devices)

此套件提供便利的平台，可用於評估 IC 的特性與功能以及其電氣參數。此套件採用垂直通訊連接器以及扣入鎖定式電池組連接器，能讓使用者快速打造並評估含有最多 32 個菊鏈裝置的系統。

通訊與安全隔離讓 BMS 核心更臻完備

由於電池組高電壓有明顯的相關安全疑慮，因此 BMS 控制器與個別電池監測裝置之間的通訊連結強制含有電流 (電阻性) 隔離。有些測量與監測 IC 有直接提供此隔離效果，但許多 IC 則未具備。

針對未將此效果納入其中的電路，Analog Devices 為了符合要求，有提供單通道 ADBMS6821 (圖 5 左) 和雙通道 ADBMS6822。這些直接相容且符合 AEC-Q100 的 IC，可實作雙向 isoSPI 通訊，因此能針對每個數據鏈路使用一條雙絞線來隔離裝置 (圖 5 右)。

圖 5：單通道 ADBMS6821 (左) 與雙通道 ADBMS6822 含有必要的功能模塊，可提供雙向 isoSPI 通訊；更可輕鬆與雙絞線上的雙向迴路 (右) 介接。(圖片來源：Analog Devices)

在運作中，每個收發器會將邏輯狀態編碼成訊號，並穿越隔離屏障傳輸到另一個收發器。接收裝置會將傳輸內容解碼，然後將周邊的匯流排驅動至適當的邏輯狀態。

收發器可當作 BMS 微控制器 SPI 埠與各個電池組監測器 isoSPI 埠之間的橋接器。可將標準 SPI 訊號 (CS、SCK、PICO 和 POCI) 轉換成可在雙絞線上雙向傳送的脈衝。

這些裝置可支援 2 Mb/s 的數據傳輸率以及 100 公尺 (m) 的電纜長度，並具有非常低的電磁干擾 (EMI) 敏感性和輻射。設計人員可以依據所需的額定電壓、可用空間、法規問題及其他技術因素，選擇要使用電容或變壓器當作隔離屏蔽。

收發器還有個進一步的優勢，就是能跟 Analog Devices 的其他先進 ADBMS 系列堆疊監測器解決方案搭配，即使在 BMS 控制器關機時，也能達到電芯電壓和感測器監測，進而達到低功耗電芯監測 (LPCM) 設計。

如同其他 BMS 裝置一樣，評估板是設計人員用來探索、操作及驗證功能的重要輔助工具。針對這些收發器，有提供一款功能完整的評估板，即 EVAL-ADBMS6822DEC (圖 6)。可當作雙通道 SPI 對雙線 isoSPI 配接器，採用雙通道 ADBMS6822，但也可搭配單通道 ADBMS6821 使用。

圖 6：EVAL-ADBMS6822DEC 可當作雙通道 SPI 對雙線 isoSPI 配接器，有利於發展與評估 BMS 處理器與各個電芯監測裝置之間的隔離連結。(圖片來源：Analog Devices)

可使用此評估板，以菊鏈互連的方式將多個 ADBMS68xx 電池監測器連結在一起。此板件還具備可反接的 isoSPI 埠，能針對周邊單元提供備援通訊路徑。印刷電路板 (PCB)、元件及連接器均經過最佳化，可達到 EMI 低敏感度及低輻射。

結論

對於擁有大量電芯及相應高電壓的電池組來說，妥善、有效且高效率的管理是涉及許多設計細節的複雜課題。Analog Devices 提供經過最佳化的特定應用 IC，能以多種解決方案符合適用的技術及法規要求。