引言

在儲能系統(tǒng) (ESS) 應(yīng)用中，有效管理擴(kuò)展儲能需求所需的電池數(shù)量具有挑戰(zhàn)性。例如，在公用事業(yè)級（1kV 至 2kV）系統(tǒng)中，可能有超過 300 個串聯(lián)的鋰離子電池，每個電池都需要精確監(jiān)控以確定充電狀態(tài)估計值，還需要監(jiān)控保護(hù)狀態(tài)，以確定維護(hù)需求或檢測故障條件。

使用 TI BQ79616 采用菊花鏈形式連接以簡化電池包通信

在需要多個電池監(jiān)測器的較大電池包中，面臨的挑戰(zhàn)是簡化返回主機(jī)處理器的電池電壓通信。BQ79616 提供集成式菊花協(xié)議，可替代需要每個 16S 模塊專用主機(jī)或外部收發(fā)器的復(fù)雜系統(tǒng)，該協(xié)議能夠以更有效的方式保持通信完整性。

圖 1 展示了垂直接口配置，其中兩個 BQ79616 電池監(jiān)測器引腳驅(qū)動南北方向的雙絞線電纜。鏈的底部是控制器模塊，其中 BQ79600-Q1 橋式集成電路用于高壓隔離，并將電池數(shù)據(jù)從垂直接口轉(zhuǎn)換為通用異步接收器發(fā)送器 (UART) 或串行外設(shè)接口 (SPI) 和主處理器。可以對鏈中的每個器件進(jìn)行電流或電容耦合隔離?；蛘?，環(huán)配置可以在鏈發(fā)生故障或斷裂時充當(dāng)冗余通信路徑。

使用菊花鏈電池通信的垂直接口為各種電池架構(gòu)的電池和控制器模塊設(shè)計提供了靈活性。菊花鏈允許使用隔離電池包。例如，用戶可以用雙絞線電纜連接彼此間隔 3m 的電池監(jiān)測印刷電路板 (PCB)，或者在同一 PCB 裝配上的兩個 BQ79616 監(jiān)測器之間進(jìn)行短距離連接。這兩種選項(xiàng)都只需要極少的隔離元件來分隔模塊接地層并承受電磁干擾。

在圖 1 中，控制器模塊使用 BQ79600-Q1 作為橋接通信器件和 BQ79731-Q1 電池包監(jiān)測器。BQ79616 通過集成通信協(xié)議提供可靠的電池監(jiān)測，可有效擴(kuò)展隔離電池模塊，其差分協(xié)議或垂直接口經(jīng)證明可承受惡劣的汽車或 ESS 環(huán)境。每個器件有 16 個監(jiān)測通道，最多有 64 個通道可以通過菊花鏈?zhǔn)竭B接，因此可以靈活地設(shè)計 48V 至 >1.5kV ESS 系統(tǒng)。

BQ79731-Q1 可以監(jiān)測電池包級電流、高壓接觸器和絕緣電阻，以反饋到充電狀態(tài)估計值中。與用于電池包監(jiān)測的 BQ79731-Q1 類似，BQ79616 是一種獨(dú)立器件，可以通過 UART 將電池數(shù)據(jù)直接轉(zhuǎn)換到主機(jī)處理器，該功能允許在儲能平臺中不同數(shù)量的電池中使用相同的軟件和硬件設(shè)計。在大于 1kV 的較大電網(wǎng)級系統(tǒng)中，BQ79616 針對系統(tǒng)通信進(jìn)行了優(yōu)化，開銷非常小。

與 BQ76952 堆疊，適用于需要多個電池監(jiān)測器的系統(tǒng)

BQ76952 是一款 16 節(jié)串聯(lián)電池監(jiān)測器，不帶集成菊花鏈通信。其中一些優(yōu)點(diǎn)包括集成庫侖計、高側(cè)場效應(yīng)晶體管 (FET) 驅(qū)動器和可編程低壓降穩(wěn)壓器。

為了更好地應(yīng)對堆疊 BQ76952 監(jiān)測器的挑戰(zhàn)，添加外部隔離器和控制器局域網(wǎng) (CAN) 收發(fā)器可以實(shí)現(xiàn)可靠的通信。圖 2 展示了支持在 ESS 應(yīng)用中使用 BQ76952 所需具備的基本元件。

為了增強(qiáng)堆疊 BQ76952 器件內(nèi)的通信完整性，TCAN1042 CAN 收發(fā)器可以將單元模塊數(shù)據(jù)鏈接回主機(jī)。此外，還需要考慮充分利用集成 FET 驅(qū)動器、保護(hù)和主機(jī)處理器通信

圖 3 是堆疊兩個 BQ76952 電池監(jiān)測器的方框圖。此配置使用外部電路來控制低側(cè)保護(hù) N 溝道 FET。每個器件的 I²C 總線路由至主機(jī)微控制器，上層器件使用 2.5kV I²C 隔離器。與僅具有一個電池監(jiān)測器的設(shè)計相比，此示例需要一些額外的元件來將兩個監(jiān)測器從關(guān)閉模式喚醒。當(dāng)保護(hù) FET 被禁用時，正確的負(fù)載檢測功能需要額外的元件。

根據(jù)堆疊配置，仔細(xì)連接通信和保護(hù)信號。BQ76952 提供與高側(cè) FET 驅(qū)動器所用控制相匹配的邏輯電平輸出。這些輸出根據(jù)每個監(jiān)測器的本地 LDO 驅(qū)動，該 LDO 具有高達(dá) 5V 的可編程電壓。將這些來自堆疊器件的信號組合在一起，有助于控制低側(cè) N 溝道 FET，如圖 4 所示。

BQ76952 包括一個關(guān)斷模式，以降低電流消耗。要從關(guān)斷模式喚醒并返回正常操作，請使用以下兩種方法之一：

• 向 LD 引腳施加電壓。（連接充電器時，LD 引腳上通常會出現(xiàn)電壓）。
• 拉動 TS2 引腳，該引腳在關(guān)斷至 VSS 時提供弱 5V 電平和 5M? 源阻抗。

確保堆棧中的所有監(jiān)測器都包含一種喚醒方法，以便整個系統(tǒng)正常運(yùn)行。通過連接充電器向器件上的 LD 引腳施加電壓會引起喚醒，但重要的是添加適當(dāng)?shù)碾娐罚詫⒚總€引腳的電壓限制在數(shù)據(jù)表中的規(guī)格范圍內(nèi)。

BQ76952 支持高達(dá) 400kHz I²C、SPI 和高速數(shù)據(jù)輸入輸出通信。每個器件都可以配置一個單獨(dú)的 I²C 地址。使用 TI 的 ISO1640 隔離器有利于與上層器件的通信，如適用于 20S 應(yīng)用的工業(yè)電池管理模塊參考設(shè)計中所述。另一種選擇是使用分立式電路進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換。圖 5 展示了一個使用具有 SPI 通信的分立式電路示例。

電池平衡注意事項(xiàng)

將多個電池監(jiān)測器鏈接在一起時，連接到底部器件的電池可能會與連接到頂部器件的電池不平衡。為了避免堆疊內(nèi)功耗不均造成的不平衡，將堆疊中的每個器件配置為在內(nèi)部啟用同一組模塊或元件可以保持功耗平衡。

考慮平衡由堆疊器件的 LDO 供電的外部電路。TI 的 BQ79616 和 BQ76952 監(jiān)測器支持隨機(jī)電池連接熱插拔，但重要的是要查看每個器件的具體指南，以評估各種堆疊配置的設(shè)計。

結(jié)論

在 ESS 應(yīng)用中，電池技術(shù)的興起帶來了新的挑戰(zhàn)。隨著存儲容量不斷擴(kuò)大以推動向可再生能源的過渡，需要堆疊多個電池監(jiān)測器才能確保完全覆蓋電池包。TI 的可擴(kuò)展電池管理設(shè)計可滿足公用事業(yè)級、商業(yè)電池備用器件和住宅能源系統(tǒng)的不同要求。為了優(yōu)化效率和系統(tǒng)成本，ESS 設(shè)計人員必須分析這些配置，以便更好地滿足系統(tǒng)要求。

其他資源

• 德州儀器 (TI)，BQ79616 16 節(jié)串聯(lián)電池監(jiān)測器、平衡器和集成硬件保護(hù)器 數(shù)據(jù)表。
• 德州儀器 (TI)，提高電池監(jiān)測系統(tǒng)中的電壓測量精度 技術(shù)文章。
• 德州儀器 (TI)，提高電池監(jiān)測系統(tǒng)中的溫度測量精度 技術(shù)文章。
• 德州儀器 (TI)，輕松配置 BQ76942、BQ76952 電池監(jiān)測器 應(yīng)用報告。
• 德州儀器 (TI)，BQ76952 和 BQ76942 電池監(jiān)測器 視頻。