NESA035 March 2025 BQ78706 , BQ79731-Q1
電池儲(chǔ)能系統(tǒng) (BESS) 在住宅、商業(yè)、工業(yè)和電網(wǎng)儲(chǔ)能管理中扮演著重要角色。在現(xiàn)代 BESS 中，電池管理系統(tǒng) (BMS) 作為電池組的核心，負(fù)責(zé)監(jiān)測(cè)電壓、電流與溫度等參數(shù)，並提供充電狀態(tài) (評(píng)估剩餘可用能量) 與健康狀態(tài) (評(píng)估電池單體的整體狀況與老化程度) 的洞察資訊。BMS 可確保更優(yōu)異的電池監(jiān)控準(zhǔn)確度並提升系統(tǒng)級(jí)安全性，有助於維持高效率的能源使用，並延遲電池過早劣化，延長(zhǎng) BESS 使用壽命。
確保電池監(jiān)控器的準(zhǔn)確度
電池組監(jiān)控器不僅可提升電池電壓量測(cè)的準(zhǔn)確度，也有助於改善充電狀態(tài)評(píng)估和過電壓保護(hù)。充電狀態(tài)演算法和其他高電壓系統(tǒng)診斷也需要準(zhǔn)確的電池組電壓和電流報(bào)告。
在磷酸鋰鐵 (LiFePO4) 電池中，由於其可靠性與合理的成本，已成為儲(chǔ)能系統(tǒng) (BESS) 中常見的電池類型。進(jìn)行高度精確的量測(cè)，對(duì)於確保其運(yùn)作的可靠性有直接的關(guān)聯(lián)。LiFeP04 電池的電壓分布特點(diǎn)為其大部分有用容量的基本平坦充電與放電曲線，因此在電量即將結(jié)束前可產(chǎn)生更穩(wěn)定的操作電壓，而電壓位準(zhǔn)則會(huì)快速下降。若未偵測(cè)充電與放電曲線的平坦區(qū)域中的輕微電壓變化，可能會(huì)增加充電狀態(tài)估計(jì)錯(cuò)誤的風(fēng)險(xiǎn)。
提升系統(tǒng)級(jí)安全
有多種因素會(huì)直接影響電池老化，包括過充電、過放電狀況、高溫、低溫和高充電電流。BMS 中的整合式監(jiān)控和保護(hù)套件有助於減少這些狀況的發(fā)生率。例如，整合式電池平衡等功能可確保電池緊密平衡，防止較弱的「不平衡」電池對(duì)整體封裝造成負(fù)擔(dān)，從而大幅提升整體電池的使用壽命。精準(zhǔn)平衡與高準(zhǔn)確度電池量測(cè)可減少並偵測(cè)電池操作和調(diào)節(jié)中的低效率現(xiàn)象。
在電池組使用壽命期間，電池芯間的差異會(huì)持續(xù)增加。隨著電池單體容量持續(xù)增加，被動(dòng)式平衡已無法滿足儲(chǔ)能系統(tǒng) (ESS) 的需求。因此，採(cǎi)用主動(dòng)式單體平衡與主動(dòng)式電池組平衡，有助於延長(zhǎng)儲(chǔ)能系統(tǒng)壽命並降低人工維護(hù)成本。
電池組對(duì)電池組平衡的主動(dòng)平衡設(shè)計(jì)方法使用雙向隔離式 DC/DC 實(shí)現(xiàn)能源傳輸，可幫助整體系統(tǒng)提升利用率。
使用壽命更長(zhǎng)
隨著儲(chǔ)能電池的世代更迭，其循環(huán)壽命從 10,000 次提升至 12,000 次，甚至 15,000 次。這些提升有潛力使產(chǎn)品壽命在未來達(dá)到 20 至 25 年。延長(zhǎng)電池續(xù)航力是開發(fā) BESS 時(shí)的重要考量，可讓設(shè)計(jì)人員提供具競(jìng)爭(zhēng)力且有效率的產(chǎn)品。
應(yīng)用基本知識(shí)
圖 1 所示為 BESS 架構(gòu)。此系統(tǒng)適用於高電壓 (1,500V) 鋰離子與磷酸鋰鐵 (LiFePO4) 電池系統(tǒng)，並包含多個(gè)參考設(shè)計(jì)，以實(shí)現(xiàn)完整的系統(tǒng)解決方案。
適用於能源儲(chǔ)存系統(tǒng)的高達(dá) 1,500V 堆疊式電池管理單元參考設(shè)計(jì)結(jié)合了多個(gè)電池管理單元，以堆疊方式利用 BQ78706 電池監(jiān)視器偵測(cè)電池故障，並提供備援資料測(cè)量功能。
接下來，針對(duì)儲(chǔ)能系統(tǒng)的 1,500V 高電壓機(jī)架監(jiān)控單元參考設(shè)計(jì)，展示了一個(gè)高電壓監(jiān)控單元 (HMU)，該單元採(cǎi)用 BQ79731-Q1 電池組監(jiān)測(cè)器，以支援匯流排電壓與電流的偵測(cè)與量測(cè)，並整合了備援資料量測(cè)能力。電池控制單元 (BCU) 能可靠地驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)開關(guān)，協(xié)助維持系統(tǒng)安全。
圖 1 BESS 架構(gòu)的方塊圖實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)的電池感測(cè)與可靠的系統(tǒng)架構(gòu)
圖 1 說明 BCU 與 HMU 的組合如何實(shí)現(xiàn)可靠的系統(tǒng)安全等級(jí)。HMU 中的 BQ79731-Q1 可進(jìn)行高準(zhǔn)確度匯流排電壓量測(cè)，最大準(zhǔn)確度為 ±3.16mV。這種準(zhǔn)確度有助於提高隔離阻抗測(cè)量和接觸焊接偵測(cè)校準(zhǔn)的可靠性和簡(jiǎn)化性。BQ79731-Q1 還結(jié)合了連續(xù)取樣模數(shù)轉(zhuǎn)換器，具有低增益誤差 (±0.065%) 和低偏移 (–2.5μV 至 7.5μV)。電壓與電流量測(cè)診斷可使用 BQ79731-Q1 支援的安全機(jī)制 (TI 符合汽車安全完整性等級(jí) [ASIL] D 的功能安全機(jī)制) 執(zhí)行，以可靠的量測(cè)結(jié)果實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)等級(jí)安全。
圖 2 展示 TI 用於能源儲(chǔ)存系統(tǒng)的電池控制單元參考設(shè)計(jì)，該設(shè)計(jì)使用 BQ78706 電池監(jiān)視器在 -40°C 至 125°C 的溫度範(fàn)圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)了 ±2.4mV 的電池電壓誤差。本設(shè)計(jì)透過 TMUX 擴(kuò)充和 TMP61 高準(zhǔn)確度 (-25°C 至 65°C 時(shí)為 ±1°C) 熱敏電阻感測(cè)器，測(cè)量每個(gè)獨(dú)立電池通道的溫度。如同在 BMU 中，單體電壓與溫度的診斷透過 BQ78706 的內(nèi)建安全機(jī)制 (符合 ASIL B 等級(jí)的 TI 功能安全標(biāo)準(zhǔn)) 執(zhí)行，以取得可靠的結(jié)果。以 MSPM0G3519 為基礎(chǔ)的軟體開發(fā)套件有助於簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)程序，以加快上市時(shí)間。
圖 2 適用於儲(chǔ)能系統(tǒng)的電池控制單元參考設(shè)計(jì)圖，其中展示可堆疊 BMU 架構(gòu)電池監(jiān)控單元 (BMU 與 HMU 的設(shè)計(jì))，符合國(guó)際電工委員會(huì) (IEC) 62477-2 與美國(guó)保險(xiǎn)商實(shí)驗(yàn)室 (UL) 1973 的強(qiáng)化絕緣要求，最高可達(dá) 1,500V。此設(shè)計(jì)可搭配 ISO7841 和 UCC33421 等強(qiáng)化型隔離器使用，或搭配超寬爬電變壓器的菊輪鍊使用，以確保充分的系統(tǒng)級(jí)安全。
結(jié)論
安全且可靠的 BMS 在提升 ESS 的壽命、效率，以及最重要的安全性方面，扮演著關(guān)鍵角色，尤其是在鋰離子電池轉(zhuǎn)向磷酸鋰鐵電池及其他電池化學(xué)材料的趨勢(shì)下。透過提供精確的資料感測(cè)，並實(shí)現(xiàn) ESS 所有模式下的電池組與單體層級(jí)平衡，BMS 的設(shè)計(jì)方法能最大化利用太陽能與風(fēng)力等再生能源的能源，有助於在高需求期間穩(wěn)定電網(wǎng)，或在停電期間用於備用電源。