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能源儲存系統

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新型鋰電池高度整合 電池監控系統安全/精準/高效

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)。 圖1 儲能電池 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。 圖2 鋰電池放電曲線 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。 圖3 LTC6813應用原理圖 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。 圖4 LTC6813與LTC6820的隔離連接 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)
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