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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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貿澤攜手ADI出版新電子書 探索提升能源儲存方案重要性

貿澤電子(Mouser)宣布與亞德諾半導體(ADI)合作出版最新的電子書,書中將著重於能源儲存系統 (ESS) 以及其在新興智慧能源基礎架構中扮演的關鍵角色。在《能源儲存解決方案:儲能救未來》一書中,來自Analog Devices的主題專家深入探究了關鍵的能源儲存技術及其在包括醫療和汽車製造等產業中的應用。 貿澤與Analog Devices攜手出版的最新《能源儲存解決方案:儲能救未來》電子書,詳盡地分析了電池管理技術在醫療能源儲存系統中的運用,同時說明ESS如何能協助極其仰賴不斷電系統的產業改善可靠度和效率。電子書也刊載關於Analog Devices iCoupler裝置以及其在太陽光電應用中之適用性的文章,同時提供ADuM4122隔離式閘極驅動器等Analog Devices產品的快速連結和訂購資訊。最新電子書亦說明ESS對電動車的重要性,探索高階電池構成和測試系統在擴大電動車生產規模中所扮演的角色。 電子書除了提供12款ADI能源和電源管理產品的連結與訂購資訊,也提供工程師需要的電路圖、資訊圖表和嵌入式影片內容。 若要閱讀最新的電子書,請瀏覽https://www.mouser.com/news/adi-energy-ebook/mobile/index.html。如需進一步瞭解Analog Devices,請瀏覽https://www.mouser.com/manufacturer/analog-devices/。  
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再生能源帶動儲能需求 電池儲能系統最具冠軍相

能源諮詢機構伍德麥肯茲(Wood Mackenzie)日前發表研究報告指出,隨著再生能源的發展,基於電池的儲能系統(ESS)將出現強勁成長。直到2030年,甚至更久以後的未來,基於電池的儲能系統,裝置容量都將超越其他儲能設備。報告中預測,在歐洲的五大主要電力市場(英國、德國、法國、義大利和西班牙)中,儲能電池的裝置容量將會從2020的3GW增加到26GW。 未來電池靈活性及輸電網的需求劇增。來源:Unsplash   隨著發電方式由火力與核能逐漸轉變為風力、太陽能發電,加上汽車也朝電動車演進,將帶來大量突發性的電力需求,因此電力產業迫切需要更靈活、更有彈性的電力基礎建設。 伍德麥肯茲分析師Rory McCarthy認為,在2020~2030年間,眾多的尖峰負載發電廠將在2020年競爭彈性電力的市場大餅,並創造更完善的再生能源系統。但是到2030年以後,由於大容量儲能電池價格大幅下降,尖峰負載電廠的數量將很難再有所成長。尖峰負載發電廠主要是由燃油、燃氣火力發電廠所組成,其升降載速度快,可以很靈活地隨著電力需求增減而調整其發電量。不過,也因為這類電廠需燃燒化石燃料,因此燃料價格,稅金與二氧化碳排放都會增加供應商的營運成本,而在此同時,儲能電池的成本自2010年以來,已經下降了85%。
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ADI攜手Rimac為高性能電動汽車提供精準電池管理

亞德諾半導體(ADI)宣布高性能電動汽車領域技術廠商Rimac計畫將ADI的電池管理系統(BMS)IC應用於Rimac的BMS中,相關技術使Rimac的BMS能可靠運算任何給定時間內的電量狀態和其他電池參數,以從電池中獲取最大電能和電量。 Rimac執行長Mate Rimac表示,Rimac為全球眾多汽車公司開發和製造關鍵電氣化系統。同時,該公司超級跑車也為電動汽車的性能樹立更高標竿,對於BMS要求極為嚴苛,其需實現極高的精度、極短時間內的電流和電壓劇烈變化以及在電池管理控制系統內快速動態調整。該公司決定在整個電池管理系統產品線上採用ADI的電池管理IC產品組合。ADI的IC產品是Rimac自主研發BMS的重要組成部分,不僅將用於自有汽車,並將應用於全球眾多汽車品牌。在針對市場上該類IC進行對比測試後,結果證實ADI的產品能夠在汽車生命週期內提供精準測量精度和產品可靠性。期待未來與ADI合作能於汽車和電池組中實現高性能BMS。 Rimac C_Two為一款純電動超級跑車,最高時速可達412km/h。C_Two引擎具有1,914匹馬力,0-96km/h加速時間1.85秒,0-300km/h加速時間11.8秒。為了支援高性能輸出,Rimac團隊更設計和打造包括電動傳動系統和電池組等底層技術。 BMS技術相當於電池組背後的「大腦」,其管理輸出、充放電,並在車輛運行期間提供精準測量。BMS也透過重要的保護措施以防電池受損。電池組由多組獨立的電池單元組成,這些電池單元無縫地為汽車提供最大的電力輸出。如果電池單元之間失去均衡將會受到應力影響導致充電過早終止,進而縮短電池總體壽命。ADI的電池管理IC提供高度精準的測量,不僅使車輛能更安全地運行,且最大化每次充電後的續航里程。 ADI汽車電氣化和資訊娛樂事業部副總裁Patrick Morgan表示,高性能電動汽車需要高度準確的電子設備。高精準度可直接轉化為快速充電時間、最大化的電池容量和里程。非常高興能透過精準電池管理IC支援Rimac的電動汽車系統,實現全球性的優異性能。 ADI提供廣泛精密電池管理IC,在眾多業界應用中支援多種電池配置和電池類型。除電動汽車電池管理系統外,並包括車載充電器(OBC)、大功率電力儲存系統(ESS)、備用電池系統和高壓資料擷取系統等應用。
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