電池組管理輕鬆安全　BMS助儲能系統充放電均衡

鋰離子(Li-Ion)與其他電池化學材料不光是電動車的重要元素，其主要應用領域亦涵蓋儲能系統(ESS)。舉例來說，許多超級工廠每天能透過再生能源機組可產生數MWh的電力。那麼該如何考量這類發電能力在電力回併到電網後所導致的負載變動？這方面可以納入電池儲能系統(BESS)的概念來評估。本文主要便是探討電池管理控制器解決方案，以及其在ESS開發與部署方面產生的效應。

鋰電池的挑戰

鋰電池的應用需要用到電池管理系統(BMS)。BMS是不可或缺的組件，因為鋰電池在應用層面上存在許多風險。如果是過充，可能會出現熱失控與爆炸的事故；若是過度放電，電池單元內部會啟動化學反應，對其儲電能力造成永久性影響。上面兩種情況都涉及電池單元的失能，不僅危險且代價高昂。此外，由於鋰電池會以堆疊方式焊接成電池組，因此需要用到BMS。對堆疊式電池芯充電通常是以串聯方式進行，而對整個電池組的充電則是將電源與電池組並聯後施加一個恆定電流。然而這也衍生出均衡化的挑戰，均衡化是指讓所有電池單元處於相同的荷電狀態(SOC)。然而該如何對所有電池單元進行完全充電或放電，而且不會對電池堆疊內所有個別單元過度充電或過度放電？均衡化便是良好BMS眾多關鍵益處的其中一項。

BMS的主要功能包括：

• 監視電池單元的各項參數，包括單元電壓、單元溫度、以及流入與流出電池單元的電流。
• 量測上述各項參數以計算出SOC，以及使用庫倫計數器量測以安培-秒(A.s)為單位的充電與放電電流。
• 電池單元均衡化(被動)，確保所有單元處於相同的SOC。

電池管理系統解決方案

廠商如Analog Devices擁有BMS元件產品線。以ADBMS1818為例，該款元件適用於工業與BESS應用，可量測含有18個單元的電池堆疊。任何BMS元件的操作都需要用到微控制器。微控制器(MCU)會和BMS通訊、接收量測數據、以及執行運算以判斷出SOC和其他參數。雖然大多數微控制器也能與BMS通訊，但並不是所有元件都適用。這方面各界希望採用的是高性能的微控制器。BMS回饋的資料量可能會很大，尤其是當需要用到大型電池單元堆疊(某些堆疊會大到1500V，內含32個以菊花鏈方式串接的ADBMS1818s)。在這個案例中，微控制器必須擁有夠大的頻寬來和系統中各個BMS IC通訊與處理出結果數據。作為BMS平台解決方案的一部分，MAX32626微控制器擁有兩個供電電源並透過PowerPath控制器加以管理。PowerPath會根據機板電源需求(連接的週邊與處理負載等)來安排電源的優先順序。

圖1顯示一個典型BMS的模塊圖，其中ESCU標為深灰色。雖然這裡的ESCU並未針對功能安全應用進行最佳化，但使用者仍可建置保護電路與/或冗餘配置以因應特定的安全完整性等級(SIL)的要求。

BMS控制器機板硬體與軟體

硬體資訊

ESCU連結各種BMS元件(包括類比前端、電量計、isoSPI收發器)。BMS控制器機板的主要硬體與元件包括：

．板載MCU：Arm Cortex-M4 MAX32626適用於各種儲能應用。它能在低功耗模式下高速工作，並具有工作頻率達96MHz的內部振盪器。在低功率模式下，能以4MHz的時脈工作以節省電力。其電力管理功能包括600nA的低功耗電流與支援即時時脈(RTC)。此外，MAX32626亦支援種類多樣的週邊，包括SPI、UART、I²C、1-Wire介面、USB 2.0、PWM引擎、10-bit ADC等。另外該款MCU還有結合多種先進安全功能的信任保護單元(TPU)。

．介面：ESCU支援多種介面

－SPI、I²C、以及CAN

－IsoSPI能跨越高電壓障壁以進行穩定且安全的資訊傳輸

－USB-C介面為機板供電以及將資料寫入MCU

－JTAG進行微控制器程式化與除錯

－Arduino連接器(促成更高彈性，能加裝各種Arduino相容板卡，包括乙太網路擴展板、感測器機板、甚至Proto擴展板)

．isoSPI收發器：包含兩個LTC6820以透過isoSPI介面使用一個轉換器來和以菊花鏈模式串接的BMS IC進行通訊。這種方式可確保機板和連接到大電壓電池堆疊的BMS IC完全隔離。配置雙isoSPI收發器則提供冗餘與可逆的隔離通訊機制，主控端MCU替換使用多個通訊埠來監視訊號完整性(這款機板未來發展的新款產品還會納入ADBMS6822(雙isoSPI收發器)以配合更高的數據傳輸率與支援低功率單元監視(LPCM)功能。

．電源管理：

－供電可透過DC連接器或使用USB 2.0介面從PC擷取電力(提供USB-C連接器)

－配置一個優先權選擇電路，使用LTC4415來管理與選擇供電電源。其會根據控制器週邊端的負載，在DC連結器或USB-C輸入介面之間做選擇。舉例來說，如果已連接Arduino擴展板並開始工作，板卡的耗電就會超出USB-C能提供電力的上限。LTC4415的雙二極體OR架構就會切換至DC連接器作為供電電源。

－電源鏈提供不同的電壓軌(3.3V、2.5V以及5V)，透過跳線進行設定。

．安全與保護：控制機板上的隔離式閘極驅動器，負責驅動連到外部接觸器(設置在電池機板)的N-FET。這種配置有保護功能，因為MCU會透過ADuM4120來開啟與關閉MOSFET，以便在緊急或失效狀況時開啟接觸器是斷開與電池的連接。

圖2顯示高層次模塊圖，強調ESCU的主要元件。

PCB電路板是10cm×9cm的緊湊規格。圖3顯示主要介面。

軟體資訊

在軟體方面，包含開源圖形化使用者介面(GUI)，能用來與控制器機板進行通訊。GUI最多支援三個連到菊花鏈的元件。

GUI透過定義完備且可輕易延伸的開源通訊協定來和MCU通訊。此協定定義了透過串列埠傳送至MCU的訊息格式。該訊號受到循環冗餘檢查(CRC)機制的保護，以偵測傳輸時的錯誤。這些訊息讓使用者能以有序的方式連結MCU以及切斷連結、設定系統參數、執行量測、啟動與檢查錯誤，以及將任何必要的指令寫入電池管理模組。MCU中的應用程式碼使用免費RTOS執行緒進行平行處理。這種方式相當有用，因為量測執行緒可和錯誤檢查執行緒同時執行，以利執行故障間隔時間的分析。

BMS控制器機板附帶的軟體介面是以Python撰寫。使用者操作的主要部分如下：

．系統標籤頁：這是程式一開始顯示的頁面，如(圖4)所示。它讓使用者建立串列PC通訊；選擇連結AFE機板的數量；設定量測間隔以及過壓與欠壓檢查的門檻值。在點選連結後，使用者就可開始量測。如果兩個System Status燈號都變成深灰色如圖4，系統就會根據使用者輸入的機板數值顯示量測標籤頁。

．BMS標籤頁如圖5所示，顯示ESCU至每個連結AFE所進行的量測。BMS標籤頁顯示電池單元與GPIO電壓、狀態以及AFE機板的故障讀數。電池單元電壓的量測結果亦會以圖形方式即時顯示。

．參考標籤頁：此圖形介面有一個參考標籤頁，顯示機板與電路的高層級模塊圖。

電路圖與Gerber檔案以及評估韌體、GUI、使用者指南等資料已以開源方式釋出。

在快速演進的能源市場，各界對BESS均具有迫切需求。業界亟需能立即部署的完整解決方案。另外還需要相關支援，以加速產品上市時程並避免增加各種未知的延遲。透過ESCU因應這方面的需求，相關機板不僅提供BESS所需的關鍵功能，還提供完整的基礎以及進一步開發的彈性。透過BMS控制器解決方案，使用者將能同時評估多個AFE、對BMS系統進行無縫除錯，同時可運用開源硬體與軟體等來縮短上市時程。

(本文作者Amina Joerg為ADI應用工程師；Paulo Roque為ADI系統應用工程師)