锂离子 (Li-ion) 和其他电池化学材料不仅是汽车领域的关键元素，而且也主要用于储能系统 (ESS)。例如，超级工厂每天可以从可再生能源中产生几兆瓦时的能源。我们如何解释 24 小时内电网承受的各种负担？这可以通过使用电池储能系统 (BESS) 来实现。本文讨论了电池管理控制器解决方案及其在 ESS 开发和部署中的有效性。
锂离子电池的挑战
使用锂离子电池需要电池管理系统 (BMS)电池。BMS 不可或缺，因为锂离子电池可能很危险。如果过度充电，它们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，从而影响其保持电量的能力。这两种情况都会导致电池单元以危险且昂贵的方式损失。此外，还需要 BMS，因为锂离子电池通常堆叠在一起形成电池组。堆叠电池的充电通常是串联进行的，方法是将恒流源与电池组并联。然而，这带来了平衡的挑战，即保持所有电池处于相同的充电状态 (SOC)。我们如何才能完全充电或放电所有电池，而不会对电池组中的任何一个电池过度充电或过度放电？平衡是良好 BMS 的众多关键优势之一。BMS的主要功能包括：
监测电池参数，如电池电压、电池温度以及流入和流出电池的电流
使用库仑计测量上述参数以及安培秒的充电和放电电流来计算 SOC
电池平衡（被动），确保所有电池处于相同的 SOC
BMS 解决方案
ADI 公司拥有丰富的 BMS 设备系列 (ADBMSxxxx)。例如， ADBMS1818非常适合工业和 BESS 应用，可以测量 18 个电池的电池组。操作任何 ADBMS IC 都需要微控制器 (MCU)。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 MCU 都可以与 BMS 通信，但并非所有 MCU 都适用。具有强大处理能力的 MCU 是理想的选择。BMS 反馈的数据可能很大，特别是当需要大型电池组时（某些电池组可以达到 1,500 V，由菊花链连接的多达 32 个 ADBMS1818 组成）。在这种情况下，MCU 必须具有足够大的带宽，以便在处理结果的同时与系统中的不同 BMS IC 通信。作为 BMS 平台解决方案的一部分，MAX32626MCU 有两个供电源，通过 PowerPath 控制器进行管理。PowerPath 控制器根据板级电源需求（连接的外设和处理负载等）确定供电源的优先级。
大多数 ADI 监控 IC 都采用适用于高压系统的可堆叠架构，这意味着多个模拟前端 (AFE) 可以以菊花链形式连接。因此，BMS 控制器板（称为储能控制器单元 (ESCU)）的主要特性之一是它可以同时与多个 AFE 配合使用。
图 1 显示了典型的 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/或冗余以实现某些安全完整性等级要求。
图 1：ADI BMS 解决方案支持的简化 BMS 框图
BMS控制板硬件和软件
硬件信息
ADI 的 ESCU 可与各种 BMS 设备（AFE、电量计、isoSPI 收发器）连接。BMS 控制器板的硬件和组件的亮点如下：
板载 MCU：Arm Cortex-M4 MAX32626 适用于储能应用。它具有低功耗和高速运行的特点，因为它具有一个运行频率高达 96 MHz 的内部振荡器。在低功耗模式下，它可以以低至 4 MHz 的速度运行以节省电量。它具有出色的电源管理功能，例如 600 nA 低功耗模式电流和启用的实时时钟。MAX32626 还拥有各种外设，包括 SPI、UART、I 2 C、1-Wire 接口、USB 2.0、PWM 引擎、10 位 ADC 等。此 MCU 中集成了一个具有安全功能的信任保护单元。
接口：ESCU 拥有多个接口：
SPI、I2C和CAN
isoSPI 可跨越高压屏障实现稳健、安全的信息传输
USB-C 为电路板供电并刷新 MCU
用于 MCU 编程和调试的 JTAG
Arduino 连接器（可以更灵活地添加与 Arduino 兼容的开发板，例如以太网屏蔽、传感器板甚至 Proto 屏蔽）
isoSPI 收发器：包含 2 个LTC6820，使用单个变压器通过菊花链实现与 BMS IC 的 isoSPI 通信。这确保了此板与连接到大电压电池组的 BMS IC 完全隔离。双 isoSPI 收发器的存在提供了冗余和可逆的隔离通信，主机 MCU 可交替使用通信端口来监控信号完整性（此板的未来开发将包括 ADBMS6822 [双 isoSPI 收发器]，以实现更高的数据速率并支持 ADI BMS IC 中的低功耗电池监控功能）。
能源管理：
可以通过 DC 插孔或通过 USB 2.0 接口（可使用 USB-C 连接器）连接到 PC 的 USB 供电。
使用LTC4415 的优先级电路管理和选择电源。它根据控制器和外围设备的负载在 DC 插孔或 USB-C 输入之间进行选择。例如，如果连接并运行 Arduino 屏蔽，则电路板的功耗将超过 USB-C 可以提供的功率。然后，LTC4415 的理想二极管或架构将切换以选择 DC 插孔作为电源。
电源链提供不同的电压轨（3.3 V、2.5 V 和 5 V），可通过跳线进行配置。
安全和保护：MAX32626 控制板载隔离栅极驱动器ADuM4120，该驱动器驱动连接到外部接触器（例如，位于电池板上）的 N-FET。这具有保护功能，因为 MCU 将通过 ADuM4120 打开和关闭 MOSFET，以在紧急或故障情况下打开接触器并断开电池。
图 2 展示了突出显示 ESCU 主要元素的框图。
ESCU 的详细硬件框图。
图 2：ESCU 的详细硬件框图
PCB 尺寸小巧，仅为 10 × 9 cm。主要接口如图 3 所示。
ESCU 的顶部。
图 3：ESCU 的顶部
软件信息
在软件方面，ADI 提供了一套完整的解决方案，其中包括一个开源图形用户界面 (GUI)，可用于与控制器板通信。该 GUI 支持多三个连接到菊花链的 ADBMS 设备。
GUI 通过定义明确且易于扩展的开源通信协议与 MCU 通信。该协议定义了通过串行端口发送到 MCU 的消息。这些消息受循环冗余校验保护，以启用错误检测。这些消息允许用户有序地连接和断开与 MCU 的连接、设置系统参数、执行测量、启用和检查故障以及将任何必要的命令写入 ADBMS 部分。MCU 中的应用程序代码利用空闲的 RTOS 线程执行并行操作。这很有用，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。
BMS 控制器板提供软件接口，用 Python 编写。主要用户部分如下：
系统选项卡：这是应用程序的主登录页面（图 4）。它允许用户建立串行 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。如果两个系统状态灯都变成绿色（如图 4 所示），则测量选项卡会根据用户输入的板数量出现。
用户应用程序的系统选项卡。
图 4：用户应用程序的系统选项卡
如图 5 所示，BMS 选项卡显示 ESCU 处理的每个连接的 AFE 的测量值。BMS 选项卡包含 AFE 板的电池和 GPIO 电压、状态和故障读数。电池电压测量值也以图形方式表示并实时绘制。
BMS 测量标签。
图 5：BMS 测量标签
参考选项卡：GUI 包括一个参考选项卡，代表电路板和原理图的框图。
原理图和 Gerber 文件以及评估固件、GUI 和用户指南都是开源的，由 ADI 提供。
在快速发展的能源市场中，对 BESS 的需求十分迫切。迫切需要一套可立即部署的完整解决方案。还需要支持以加快上市时间，避免造成未知的延迟。ADI 准备通过其 ESCU 完全满足这一需求。该板提供 BESS 所需的关键功能，并为进一步开发提供完整的基础和灵活性。
