本文將說明電池平衡和隔離通訊網路的最新電池監控系統，如何利用新型鋰電池化學技術的優勢以及創新的積體電路(IC)，實現更高的可靠性和延長電池30%的壽命，而這對大型能源儲存系統尤其有效。
醫療應用中使用的電池，需要在日常使用的情況下滿足高可靠性、安全性和效率的高標準，病患的便攜式系統，包括胸部按壓系統、醫院急診室設備、電動醫療推車和床、便攜式超音波儀器、遠距監控以及市場上的新能源儲存系統(ESS)。
整合輸電網 提供備用電源/有效省電
能源儲存系統既不與病患有直接的交集，也不由醫生來操作。它們是不斷電系統(UPS)的進階系統，傳統上，UPS是關鍵應用的備用電源，如急診室設備、IT網路關鍵基礎結構等；然而新型鋰電池讓醫院的能源儲存系統涵蓋愈來愈多的功能，並且與醫院的輸電網路完全整合，因而帶來備用電源及有效省電兩項優勢。
能源儲存系統不再只局限於小部分的關鍵應用，而是為整個設施提供完善的備用電源，並提供防止停電、保障輸電網路電源/電壓品質的功能，並減少緊急柴油發電機的使用；有兆瓦時(MWh)的ESS，讓醫院即使在長時間的停電情況下仍能運作，並提供穩定的輸電網路，且能有效地節省電費，透過ESS醫院能直接控制用電情況，並減少高功率峰值的需求，進而降低電費，尤其醫院通常有相當大的屋頂面積，非常適合安裝太陽光電(PV)系統發電，與ESS相結合可以儲存和產生自用電力，具有經濟效益並減少碳排放(圖1)。
電壓曲線平坦 提升工作效率
以鋰為基礎的化學物質作為新型電池材料，現已在汽車、工業、醫療保健等市場中被使用。不同類型的鋰電池具有不同優勢，可以滿足各種應用和產品設計的電源要求。例如鈷酸鋰(LiCoO2)具有很高的比能，使其適用於可攜式產品；鋰錳氧化物(LiMn2O4)具有極低的內阻，可實現快速充電和高電流放電，是調峰儲能應用的理想選擇；磷酸鐵鋰(LiFePO4)在完全充電條件下具有高耐受性，並且可以長時間保持高電壓，這樣的性能使其成為停電期間需要大型能源儲存系統的最佳選擇，缺點是自放電率較高，但上述儲存應用方式並沒有採用此材料。
根據不同應用需要多種類型的電池。例如汽車應用需要高可靠性及優異的充電和放電速度；醫療保健應用則需要持續的高峰值電流以提高效率和延長使用壽命。然而這些解決方案的共同點，是鋰化學物質在額定電壓範圍內均具有非常平坦的放電曲線(圖2)。標準電池中的電壓降是500mV至1V，而進階鋰電池的放電曲線是平緩的，電壓降範圍為50mV至200mV，例如磷酸鐵鋰或鈷酸鋰。
電壓曲線的平坦度在與電池電壓軌相連的IC電源管理鏈中具有巨大優勢，可以讓DC-DC轉換器在較小的輸入電壓範圍內以最大效率工作。從已知的Vin轉換為非常接近的Vout，系統電源鏈可以設計成具有理想工作週期的降壓和升壓轉換器，以實現在工作條件下>99%的效率。此外，電池充電器可以瞄準充電電壓，並根據穩定的工作電壓確定負載大小，以提高最終應用的精度，例如遠距監控或病患體內的電子設備。如果化學物質陳舊或放電曲線不平坦，透過電池供電的DC-DC轉換效率將降低，這會縮短電池持續時間(-20%)，又或者與醫療可攜式設備連接時，因額外的功耗而需要更頻繁地充電。
SOC/SOH延長電池壽命
放電曲線平坦的主要缺點是很難確定電池的充電狀態(SOC)和健康狀態(SOH)，必須以高精度計算SOC以確保電池正確充電和放電。過度充電會帶來安全問題，像是引起化學物質降解或短路，進而導致火災和氣體危害；過度放電會損壞電池，並使電池壽命縮短50%以上。SOH會提供電池狀態的資訊，以防淘汰掉效能良好的電池，並在出現問題之前監控壞電池的狀態。主要的微控制器會即時分析SOC和SOH資料、調整充電運算、告知使用者電池的電勢(例如，如果電池準備好在斷電的情況下進行大電流深度放電)，並保持在大型能源儲存系統中，處於不良與良好狀態電池之間的最佳平衡，以延長總電池壽命。
對具有陡峭放電曲線的舊電池進行成像，可透過短時間測量電壓降的增量以及瞭解電池電壓的絕對值，來更容易地計算該電池的充電狀態。而對於新的鋰電池，由於在既定的時間範圍內電壓降要小得多，因此進行此測量所需的精度要高幾個數量級。
對於SOH，舊電池以更快、更可預測的方式放電，其電壓放電曲線變得更加陡峭，且無法達到目標充電電壓。新的鋰電池將保持更長的良好性能，但最終會以更優異的性能退化，並在接近使用壽命或損壞時迅速改變其阻抗和放電曲線。在每個電池上進行溫度量測時要格外小心，另外，最好將SOC和SOH運算與該資訊整合，使其更加準確。
在理想情況下，精確可靠的SOC和SOH計算可幫助延長電池壽命從10年至20年。通常可將電池壽命延長30%，且在包含維修費用的情況下，將能源儲存系統的總擁有成本降低30%以上。此外，加上更高準確性的SOC資訊，可避免過度充電和放電等會快速耗盡電池電量的情況；大幅地減少短路、火災和其他危險情況的機率，並幫助消耗電池中的能量，以最佳、有效的方式為電池充電。
可攜式電池管理解決方案
本文章中提到的LTC6813(圖3)電池管理解決方案(BMS)可用於醫療設備(例如便攜式超聲儀)和大規模(兆瓦/小時)的能量儲存系統，例如醫院、工廠、穩定電網、電動汽車充電基礎設施、住宅單位，以及工業機器人和車輛。ADI可攜式的技術可運作於各種惡劣環境，並且符合汽車ASIL、工業SIL的各種功能安全標準，如VDE AR 2510-2/-50、IEC EN 61508等，在可靠性和安全性方面有極大的優勢。
全新高效且可靠電池監控系統的解決方案，是將18節電池監控器和平衡IC與微控制器結合到SPI從屬隔離介面。一個多節電池堆疊監控器最多可測量18個串聯電池，且總測量誤差小於2.2mV。電池測量範圍為0至5V，適用大多數電池的化學性質。可以在290μs內測量全部18節電池，並可選擇較低的資料採集速率，以實現高降噪。可將多個堆疊監控設備串聯連接，來同時監控長且高壓的電池組電池。每個堆棧監控器都有一個isoSPI接口，用於高速、抗射頻干擾且長距離的通訊。多台設備以菊鏈形式連接，一台主機處理器連線所有設備，該菊鏈可以雙向操作，即使在通訊路徑發生故障的情況下，也可以確保通訊的完整性。IC可以直接由電池堆疊或隔離電源供電，並包括每節電池的被動平衡，每節電池有一個單獨的PWM工作週期。其他功能還包括一個板載5V穩壓器、9條通用I/O線纜，以及將電流消耗降低至6μA的睡眠模式。
由於BMS應用的短期和長期精度要求，其採用嵌入式齊納(Zener)轉換參考，而不是能帶隙(Band Gap)參考，這提供了穩定的低漂移(20ppm/√kHr)、低溫度係數(3ppm/℃)、低磁滯(20ppm)主要電壓參考，以及優異的長期穩定性，這種準確性和穩定性相當重要，是所有後續電池組測量的基礎，這些誤差會對獲取的資料可信度、運算一致性和系統性能產生積累的影響。
儘管高精度參考是卓越性能的必要功能，但這還不夠。類比數位轉換器架構及其操作必須在電氣噪聲的環境下符合規範，這是系統高電流/電壓逆變器的脈寬調變(PWM)瞬變的結果。要準確評估電池的充電狀態和健康狀況還需相關的電壓、電流和溫度量測。
為了在不影響BMS性能的前提下降低系統噪聲，堆疊監控器轉換器使用Σ-Δ拓撲，使用者有六種濾波器選項來協助解決噪聲問題。Σ-Δ方式在每次轉換時使用許多樣本的特性以及平均濾波功能，能降低電磁干擾(EMI)和其他瞬態噪聲的影響。
滿足電池平衡需求
在使用以電池組或模組安置之大型電池組的任何系統(例如用於為醫院微電網和亞電網供電的大型能源儲存裝置)中，不可避免對電池單位平衡的需求。儘管大部分的鋰電池在一開始都能配合運作地很好，但是會隨著時間降低容量。老化過程可能會依不同因素而異，例如電池組溫度的梯度。超出SOC限制運行的電池將提早老化，並失去額外的容量，使整個惡化過程加劇，這些容量上的差異，再加上自放電和負載電流的微小區別，會導致電池失衡。
堆疊監控器IC直接支援被動平衡(具有使用者可自行設定的計時器)，以解決電池不平衡的問題。被動平衡是一種低成本的簡單方法，可以在電池充電週期內標準化所有電池的SOC。透過消除低容量電池的電荷，被動平衡可確保這些低容量電池不會過度充電。此IC還可以用於控制主動平衡，這是一種更為複雜的平衡技術，可經由充電或放電週期在電池之間轉移電荷。
無論使用主動還是被動的方法，電池平衡都依賴於高精度量測。隨著量測誤差的增加，系統建立的工作保護頻帶也必須增加，因此平衡性能的效用將受到限制。此外，隨著SOC範圍的限制，對這些誤差的敏感度也隨之增加，小於1.2mV的總量測誤差完全在電池監控系統的系統級要求之內。
堆疊監控器解決方案有效使用電池
在能源儲存系統中，必須有一個通訊迴路才能連接所有的電池，此迴路將資料從系統電池傳輸到以雲端為基礎的能量管理運算，追蹤充電和放電事件，以確定在斷電的情況下，能夠最大限度地利用電池或保持電池最大的充電量。
ADI的LTC681x和LTC680x系列代表電池堆疊監控器的最新技術，而18通道版本稱為LTC6813。
電池堆疊監控器設備需要與主單位進行溝通，在這些主單位上，微控制器或處理器會計算SOC和SOH值，並調節充電和放電曲線。互聯形式的可能性很多，其中隔離通訊通道是高壓應用的首選，例如能源儲存系統(400至1500V)和帶有大容量電池的可攜式設備(40至200V)。
在LTC6820與isoSPI通訊介面結合使用時(圖4)，LTC6813中內建的isoSPI功能可在跨高電壓屏障實現安全可靠的傳輸訊息，在能源儲存系統中特別有用。該能源儲存系統透過串聯的電池產生數百伏的電壓，該電池需要完全絕緣，以減少對人員的危害。
在這些使用超過18節電池的儲存系統中，需要將多個LTC6813 BMS板連接在一起。多個相同PCB的穩定互連，每個均包含一個LTC6813，以菊鏈形式配置作業。微處理器位於個別的PCB上，使用LTC6820支援IC，以實現微處理器PCB和第一個LTC6813 PCB之間的2線隔離。在只需要一個LTC6813-1時，如果第二個isoSPI埠(B埠)正確偏置並端接，就可以用作單個(非菊鍊式)設備。
設計具有平衡和通訊功能電池堆疊監控器的主要挑戰，是建立無噪聲的PCB布局設計，其關鍵路徑應遠離噪聲源(如開關電源)，以向電池組監控器提供清晰的訊號。ADI解決方案使堆疊監控器得到更好的準確性和精度，讓原本的設計更上一層樓，可更有效地使用電池，將其壽命延長30%，並以安全的方式運作。
(本文作者為ADI策略行銷經理)
