在當(dāng)今能源管理領(lǐng)域，電池儲能系統(tǒng)（BESS）在住宅、商業(yè)、工業(yè)和電網(wǎng)儲能管理中扮演著至關(guān)重要的角色。而在現(xiàn)代 BESS 中，電池管理系統(tǒng)（BMS）就如同電池組的智慧大腦，它不僅能夠?qū)崟r監(jiān)測電壓、電流和溫度等關(guān)鍵參數(shù)，還能深入評估電池的充電狀態(tài)（即估算可用剩余電量）和運行狀況（評估電池芯的整體狀態(tài)和老化程度）。通過提高電池監(jiān)測器的精度并增強系統(tǒng)級安全性，BMS 可以有效維持能源使用效率，延緩電池的過早老化，進而顯著延長 BESS 的使用壽命。

一、確保電池監(jiān)測器的精度

電池組監(jiān)測器在 BMS 中具有多重重要作用。它不僅能夠提高電芯電壓測量的精度，還有助于改善荷電狀態(tài)估算和過壓保護。荷電狀態(tài)算法以及其他高壓系統(tǒng)診斷都依賴于準(zhǔn)確的電池組電壓和電流。

在 BESS 中，磷酸鐵鋰（LiFePO4）電池因其可靠性和合理的成本而被廣泛應(yīng)用。這種電池的高精度測量與系統(tǒng)運行的可靠性直接相關(guān)。LiFePO4 電池的電壓曲線具有獨特特征，在大部分有用容量內(nèi)，其充放電曲線基本保持平坦，這使得它在充電結(jié)束之前能提供更穩(wěn)定的工作電壓。然而，當(dāng)達到充電終點時，電壓水平會迅速下降。如果未能檢測到充放電曲線平坦區(qū)域的輕微電壓變化，就可能增加荷電狀態(tài)估算中出現(xiàn)誤差的風(fēng)險。因此，的電池監(jiān)測對于 LiFePO4 電池的安全和高效運行至關(guān)重要。

二、增強系統(tǒng)級安全性

多種因素會直接導(dǎo)致電池性能下降，其中包括過度充電和過度放電、高溫、低溫以及過高的充電電流等。BMS 中的集成式監(jiān)控和保護套件能夠有效降低這些情況的發(fā)生率。例如，集成式電芯均衡功能可以確保電芯緊密均衡，防止較弱的 “不均衡” 電芯使整個電池組過載，從而大大延長電芯的整體壽命。平衡和高精度電芯測量可以緩解并檢測電芯操作和調(diào)節(jié)中的低效情況。

在電池組的整個使用壽命期間，電芯之間的差異會不斷增大。隨著電芯容量的持續(xù)增加，在儲能系統(tǒng)（ESS）中，僅采用被動均衡是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的。主動電芯均衡和主動電池組均衡有助于延長 ESS 的壽命，并減少人工維護需求。用于實現(xiàn)電池均衡的主動均衡設(shè)計方法使用雙向隔離 DC/DC 轉(zhuǎn)換器來實現(xiàn)能量傳送，這有助于提高整個系統(tǒng)的利用率。

三、實現(xiàn)長使用壽命

隨著技術(shù)的不斷進步，蓄電池的循環(huán)壽命得到了顯著提升，從每一代產(chǎn)品的 10,000 次提升到 12,000 次，甚至達到 15,000 次。這種增長使得產(chǎn)品的使用壽命在未來有可能達到 20 至 25 年。延長電池的使用壽命是 BESS 開發(fā)中的重要考量因素，它可以幫助設(shè)計人員提供更具競爭力且高效的產(chǎn)品。

四、應(yīng)用基礎(chǔ)知識

圖 1 展示了一個 BESS 架構(gòu)，該系統(tǒng)適用于基于鋰離子和 LiFePO4 電池的高壓（1,500V）電池系統(tǒng)，包含多套完整系統(tǒng)解決方案的參考設(shè)計。

適用于儲能系統(tǒng)的高達 1,500V 的可堆疊電池管理單元參考設(shè)計結(jié)合了多個電池管理單元，這些單元利用 BQ78706 堆疊式電池監(jiān)測器通過冗余數(shù)據(jù)測量功能來檢測電池故障。接著，適用于儲能系統(tǒng)的 1,500V 高壓機架監(jiān)控單元參考設(shè)計展示了一種高壓監(jiān)測單元（HMU），該單元采用 BQ79731 - Q1 電池組監(jiān)測器來實現(xiàn)總線電壓和電流的檢測和測量，并集成冗余數(shù)據(jù)測量功能。電池控制單元（BCU）能夠可靠地驅(qū)動系統(tǒng)開關(guān)，從而幫助維持系統(tǒng)安全。

五、實現(xiàn)的電池檢測和可靠的系統(tǒng)架構(gòu)

圖 1 展示了 BCU 和 HMU 的組合如何用于實現(xiàn)系統(tǒng)級安全。HMU 中的 BQ79731 - Q1 可實現(xiàn)高精度總線電壓測量，精度為 ±3.16mV。這種高精度水平有助于提高隔離阻抗測量和接觸焊接檢測的校準(zhǔn)可靠性和操作簡易性。BQ79731 - Q1 還整合了連續(xù)采樣模數(shù)轉(zhuǎn)換器，具有低增益誤差（±0.065%）和低失調(diào)電壓（ - 2.5μV 至 7.5μV）。電壓和電流測量診斷可通過使用安全機制（符合 TI 功能安全標(biāo)準(zhǔn)，達到汽車安全完整性等級 [ASIL] D）執(zhí)行，這些機制由 BQ79731 - Q1 提供支持，從而以可靠的測量結(jié)果實現(xiàn)系統(tǒng)級安全。

圖 2 演示了適用于儲能系統(tǒng)的 TI 電池控制單元參考設(shè)計，該設(shè)計采用 BQ78706 電池監(jiān)測器，可在 –40°C 至 125°C 范圍內(nèi)實現(xiàn) ±2.4mV 的電芯電壓誤差。該設(shè)計通過 TMUX 擴展和 TMP61 高精度（–25°C 至 65°C 時 ±1°C）熱敏電阻傳感器測量每個單獨電芯通道的溫度。在 BMU 中，將使用 BQ78706 的集成安全機制（符合 TI 功能安全標(biāo)準(zhǔn) ASIL B 等級）診斷電芯電壓和溫度，以獲得可靠的結(jié)果。基于 MSPM0G3519 的軟件開發(fā)套件有助于簡化設(shè)計過程，從而縮短上市時間。

BMU 和 HMU 設(shè)計符合國際電工委員會 62477 - 2 和美國保險商實驗室 1973 加強絕緣的要求，可達 1,500V。該設(shè)計可與 ISO7841 和 UCC33421 等增強型隔離器配合使用，也可與超寬爬電變壓器以菊花鏈方式連接，確保充分的系統(tǒng)級安全性。