使用高级电池监测、电芯均衡和输入/输出隔离技术设计加固型 BMS 核心。

可充电电池是电池储能系统 (BESS) 的基础组件，如今，越来越多的不同化学体系被组合到由数十、数百甚至数千个由电芯构成的电池组中，实现了在更高电压下更高效地运行。对于电池管理系统 (BMS) 设计人员而言，这种设计结构在实现最佳性能、效率、可靠性和安全性方面面临诸多挑战。

例如，设计或选择满足应用需求的集成电路 (IC)，需要深入了解电池化学、充电、监测、负载均衡、隔离、安全及通信技术，以确保高效实施。

为此，供应商已将许多必要功能整合到基本独立于处理器的专用 IC 中。这类 IC 的许多型号不仅支持多种锂基电池化学体系，而且兼容非锂电芯。这类 IC 会收集电芯的数据，并做出最优的实时电池管理决策和动作。此外，这类 IC 还向系统处理器提供有关电芯状态和运行状态的数据。

本文将简要介绍多电芯组的独特技术要求。然后，介绍 Analog Devices 先进的专用型优化 IC，并详细阐述如何运用这些 IC 满足上述需求。

多电芯会带来更多挑战

电池组的基础电路图看似简单，其实包含了多个电芯，这些电芯通过串联获得更高的电压，通过并联获得更大的电流。这意味着此类配置不过是单电芯/少电芯电池组的简单延伸，几乎无需额外管理。这种多电芯电池组适用于需要 18 V 或 48 V 的电动工具、需要 400 V 或 800 V 的电动汽车 (EV) 以及通常需要 1,500 V 的 BESS 系统。

这些较大型电池组的实际情况是，其细节和复杂性远超出其电路图所显示的内容。随着电芯和电池组数量的增加，应对这些挑战的难度呈指数级增长。

首先，必须监测电芯，以跟踪其端子电压、充放电曲线、荷电状态 (SoC)、温度以及故障前兆特征。此外，必须统一管理不同的电芯，同时记录并考虑其差异。

如果缺乏一套通用的规则，将进一步增加电芯管理的复杂性。此外，所采取的管理策略是否适当取决于电芯的化学特性。针对不同主要化学体系所采用的管理策略是不同的（例如锂离子 (Li-ion) 和铅酸电池），在同一广义化学体系内（例如各种 Li-ion 电池配方），所用管理策略也不同。因此，必须为所管理的电芯化学特性定制高级 BMS 管理策略。

由于高电压、大容量电池组中包含大量电芯，且这些电池组必须满足众多安全标准，因此对本地电芯进行监测和管理是目前最可行的工程解决方案。虽然系统通常配备一个主处理器，但它通常只能为本地电芯监控发出高级监管指令，并评估电池组的整体性能。单个电芯的监测与管理由自主运行的电子系统完成，这种系统提供实时功能，且主要在无需系统级处理器干预的情况下运行。

被动式与主动式电池均衡

电芯均衡对于以下指标尤其重要：维持多电芯组的完整性，确保部分电芯不会因过载而受损，同时避免其他电池因利用率过低而闲置。电芯均衡可防止电芯和电池组受损，从而最大限度地提升性能。电芯均衡可确保电池组内的所有电芯同时达到最大容量，以防止过充、SoC 不均衡、过度放电及过早老化，从而最终延长电池的使用寿命。

电芯均衡有两种方法：有源和无源均衡。有源均衡比无源均衡更准确、更快，但实施起来更为复杂。有源均衡采用有源电路技术，在电池组中的各电芯之间重新分配电荷，确保所有电芯的 SoC 保持一致。这种电路对每个电芯进行电压监测，并根据监测结果相应地调节充电和放电电流。

相比之下，无源均衡依赖于欧姆定律和均衡电阻器将电芯调节至相同的 SoC 状态。除了精度较低且速度较慢外，无源均衡还会将高电量电芯中的多余能量散发（浪费）掉。

从多电芯监测开始

尽管市面上已有大量 ESS 解决方案，但 BMS 的两个核心前端功能仍在于电芯的监测与均衡。如图 1 所示的 ADES1830CCSZ IC，作为一款 16 通道、多电芯、多化学体系电池监测器，不仅实现了上述功能，还集成了有助于简化整体系统设计与运行的众多关键特性。

图 1：多电芯、多化学体系的 ADES1830CCSZ 电芯监测器用作全面 BMS 的基础构建模块。（图片来源：Analog Devices）

该多电芯组监测器可测量多达 16 个串联连接的电芯，其在整个温度范围内的总测量误差 (TME) 小于 2 mV；而其他规格相同的 ADES1831CCSZ 的 TME 则略高，为 5 mV。-2 V 至 5.5 V 的测量输入范围为使 ADES1830 和 ADES1831 适用于大多数电池化学材料。

为了在监测包含大量电芯的电池组时保持一致性，所有电芯可通过双集成模数转换器 (ADC) 同步进行冗余测量。这些模数转换器 (ADC) 以每秒 4.096 兆样本 (MSPS) 的高采样率连续运行，因此可以减少外部模拟滤波器的使用，并实现无混叠测量结果。必要时，还可通过下游的可编程无限脉冲响应 (IIR) 滤波器实现额外降噪。ADES1830 和 ADES1831 还具备无源均衡功能——通过独立的脉宽调制 (PWM) 占空比控制实现，并支持每个电芯最高 300 mA 的放电电流。

尽管单个 ADES1830 或 ADES1831 器件仅支持 16个电芯串联，但可将多个器件级联，以同时监测组成长串高电压电池组的电芯。为实现该 IC 芯片间互联，各器件均配备隔离串行端口接口 (isoSPI)，通过用户选配的电容或变压器进行电气隔离，实现可抗射频干扰的长距离高速通信。

通过这种方式，单个主处理器连接即可读取数据并监控整个电池串。该串口链接可进行双向通信，因此即使通信路径出现故障，也能确保其数据完整性。

为了优化这些多电芯检测器的适用性，Analog Devices 推出 EV-ADES1830CCSZ 评估板（图 2，左侧）。为了更能接近实际，可通过 isoSPI 接口将多个评估板连接起来，以监测电池组中的一长串电芯（图 2 右侧）。

图 2：EV-ADES1830CCSZ 评估板（左侧）适用于 ADES1830 和 ADES1831，包含用于电芯电压读数的多通道输入、电池均衡电路以及 isoSPI 端口连接（右侧）。（图片来源：Analog Devices）

优化电池均衡，实现最佳性能

要优化大型多电芯组的性能，就需要改进电池均衡技术。为解决这一难题，Analog Devices 推出了 ADES1754GCB/V+（图 3），这是一款 14 通道、高电压、多化学体系电池均衡 IC 数据采集系统，专门用于管理高电压和低电压电池模块。

图 3：ADES1754GCB/V+ 14 通道、高电压多化学体系数据采集 IC 支持先进的电池均衡技术。（图片来源：Analog Devices）

该系统可在 162 微秒 (μs) 内使用全冗余测量引擎测量一组 14 个电芯电压及 6 个温度值，也可仅使用 ADC 测量引擎在 99 μs 测量所有输入。

对于有源电芯均衡，有 14 个内部均衡开关，其额定电芯均衡电流超过 300 mA。这些开关可进行切换，以支持全面的内置诊断功能。可使用这些开关对该 IC 进行配置，以实现通过独立电芯计时器或电芯电压进行的自动均衡。该 IC 还提供紧急放电模式。

最多可以菊花链的形式连接 32 个器件来管理 448 个电芯，并监测 192 个温度值。在 65 V 共模范围内以差分方式测量范围在 -2.5 V 至 +5 V 内的电芯和母线电压，且典型精度为 100 μV。为了实现稳定可靠的通信，该系统采用了 Analog Devices 的电池管理 UART 协议，并支持 I²C 控制器接口以管理外部器件。

与 ADES1830 和 ADES1831 类似，Analog Devices 提供了 ADES1754EVKIT#（图 4 左）评估板，以提升设计体验并缩短设置周期。电路板的物理布局（图 4 右侧）经过优化，可实现与多个电芯的高效连接，同时实现隔离式处理器 I/O。

图 4：ADES1754EVKIT#（左）加速了 ADES1754 的设计导入过程；其物理布局（右）经过优化，可高效连接多个电芯并实现隔离式处理器 I/O。（图片来源：Analog Devices）

该套件为评估此类 IC 的特性、功能及其电气参数提供了一个便捷的平台。该套件的垂直通信连接器及其快拆锁定式电池组连接器，使用户能够快速搭建一个系统并进行测试，且在该系统中可最多包含 32 个以菊花链形式连接的器件。

通信与安全隔离共同构成 BMS 核心。

由于高电池组电压存在明显的安全问题，因此规定 BMS 控制器与独立的电池监测器件之间的通信链路中必须包含电气（欧姆）隔离。部分测量与监测 IC 自身就具有这种隔离功能，但大部分并没有。

对于那些没有集成隔离功能的电路，Analog Devices 提供了单通道 ADBMS6821（图 5 左）和双通道 ADBMS6822 来满足隔离要求。这些即插即用的兼容型 IC 符合 AEC-Q100 标准，实现了双向 isoSPI 通信，因此为每条数据链路使用单根双绞线连接即可实现器件隔离（图 5 右）。

图 5：单通道 ADBMS6821（左）和双通道 ADBMS6822 器件包含实现双向等效 SPI 通信所需的必要功能模块；这些器件可轻松连接双绞线电缆上的双向环路（右）。（图片来源：Analog Devices）

在实际运行中，每个收发器将逻辑状态进行编码并转换为电信号，并通过隔离栅传输到另一个收发器。接收器件对收到的传输信号进行解码，并驱动外设总线至相应的逻辑状态。

收发器作为桥梁，连接 BMS 微控制器 SPI 端口与各电池组监控器的 isoSPI端口。收发器将标准 SPI 信号（CS、SCK、PICO 和 POCI）转换为可通过双绞线电缆双向传输的脉冲信号。

该设备器件支持 2 兆比特每秒 (Mb/s) 的数据传输速率，电缆长度可达 100 m，且具有极低的电磁干扰 (EMI) 敏感性和辐射。设计人员可以根据所需的电压等级、空间限制因素、法规要求及其他技术因素，选择使用电容或变压器作为隔离方案。

此外，这些收发器还能与其他先进的 Analog Devices ADBMS 系列电池监测解决方案配合使用，即使在 BMS 控制器断电状态下，仍可监测电芯电压和传感器，从而实现低功耗电芯监测 (LPCM) 设计。

与其他 BMS 器件类似，评估板是设计人员探索、测试和验证功能的有力辅助工具。针对这些收发器，可采用功能齐全的 EVAL-ADBMS6822DEC 评估板（图 6）。该开发板用作双 SPI 到 2 线 isoSPI 适配器，采用双通道 ADBMS6822 芯片，但也可与单通道 ADBMS6821 配合使用。

图 6：作为一款双 SPI 到 2 线 isoSPI 适配器，EVAL-ADBMS6822DEC 简化了 BMS 处理器与单个电芯监测设备之间隔离链路的开发和评估。（图片来源：Analog Devices）

使用此评估板，可通过菊花链的方式串联多个 ADBMS68xx 电池监检测器。这种电路板还配备了一个可逆的 isoSPI 端口，为外设提供冗余通信通道。印刷电路板 (PCB)、组件及连接器均经过优化，以确保其具有低电磁干扰 (EMI) 敏感性和低电磁辐射。

结语

对包含大量电芯且电压较高的电池组进行合理、有效且高效的管理是一项复杂任务，会涉及诸多设计细节。来自 Analog Devices 的优化型应用特定集成电路 (IC) 提供了多种解决方案，可满足技术及监管要求。