引言

在儲能系統 (ESS) 應用中，有效管理擴展儲能需求所需的電池數量具有挑戰性。例如，在公用事業級（1kV 至 2kV）系統中，可能有超過 300 個串聯的鋰離子電池，每個電池都需要精確監控以確定充電狀態估計值，還需要監控保護狀態，以確定維護需求或檢測故障條件。

使用 TI BQ79616 采用菊花鏈形式連接以簡化電池包通信

在需要多個電池監測器的較大電池包中，面臨的挑戰是簡化返回主機處理器的電池電壓通信。BQ79616 提供集成式菊花協議，可替代需要每個 16S 模塊專用主機或外部收發器的復雜系統，該協議能夠以更有效的方式保持通信完整性。

圖 1 展示了垂直接口配置，其中兩個 BQ79616 電池監測器引腳驅動南北方向的雙絞線電纜。鏈的底部是控制器模塊，其中 BQ79600-Q1 橋式集成電路用于高壓隔離，并將電池數據從垂直接口轉換為通用異步接收器發送器 (UART) 或串行外設接口 (SPI) 和主處理器。可以對鏈中的每個器件進行電流或電容耦合隔離。或者，環配置可以在鏈發生故障或斷裂時充當冗余通信路徑。

使用菊花鏈電池通信的垂直接口為各種電池架構的電池和控制器模塊設計提供了靈活性。菊花鏈允許使用隔離電池包。例如，用戶可以用雙絞線電纜連接彼此間隔 3m 的電池監測印刷電路板 (PCB)，或者在同一 PCB 裝配上的兩個 BQ79616 監測器之間進行短距離連接。這兩種選項都只需要極少的隔離元件來分隔模塊接地層并承受電磁干擾。

在圖 1 中，控制器模塊使用 BQ79600-Q1 作為橋接通信器件和 BQ79731-Q1 電池包監測器。BQ79616 通過集成通信協議提供可靠的電池監測，可有效擴展隔離電池模塊，其差分協議或垂直接口經證明可承受惡劣的汽車或 ESS 環境。每個器件有 16 個監測通道，最多有 64 個通道可以通過菊花鏈式連接，因此可以靈活地設計 48V 至 >1.5kV ESS 系統。

BQ79731-Q1 可以監測電池包級電流、高壓接觸器和絕緣電阻，以反饋到充電狀態估計值中。與用于電池包監測的 BQ79731-Q1 類似，BQ79616 是一種獨立器件，可以通過 UART 將電池數據直接轉換到主機處理器，該功能允許在儲能平臺中不同數量的電池中使用相同的軟件和硬件設計。在大于 1kV 的較大電網級系統中，BQ79616 針對系統通信進行了優化，開銷非常小。

與 BQ76952 堆疊，適用于需要多個電池監測器的系統

BQ76952 是一款 16 節串聯電池監測器，不帶集成菊花鏈通信。其中一些優點包括集成庫侖計、高側場效應晶體管 (FET) 驅動器和可編程低壓降穩壓器。

為了更好地應對堆疊 BQ76952 監測器的挑戰，添加外部隔離器和控制器局域網 (CAN) 收發器可以實現可靠的通信。圖 2 展示了支持在 ESS 應用中使用 BQ76952 所需具備的基本元件。

為了增強堆疊 BQ76952 器件內的通信完整性，TCAN1042 CAN 收發器可以將單元模塊數據鏈接回主機。此外，還需要考慮充分利用集成 FET 驅動器、保護和主機處理器通信

圖 3 是堆疊兩個 BQ76952 電池監測器的方框圖。此配置使用外部電路來控制低側保護 N 溝道 FET。每個器件的 I²C 總線路由至主機微控制器，上層器件使用 2.5kV I²C 隔離器。與僅具有一個電池監測器的設計相比，此示例需要一些額外的元件來將兩個監測器從關閉模式喚醒。當保護 FET 被禁用時，正確的負載檢測功能需要額外的元件。

根據堆疊配置，仔細連接通信和保護信號。BQ76952 提供與高側 FET 驅動器所用控制相匹配的邏輯電平輸出。這些輸出根據每個監測器的本地 LDO 驅動，該 LDO 具有高達 5V 的可編程電壓。將這些來自堆疊器件的信號組合在一起，有助于控制低側 N 溝道 FET，如圖 4 所示。

BQ76952 包括一個關斷模式，以降低電流消耗。要從關斷模式喚醒并返回正常操作，請使用以下兩種方法之一：

• 向 LD 引腳施加電壓。（連接充電器時，LD 引腳上通常會出現電壓）。
• 拉動 TS2 引腳，該引腳在關斷至 VSS 時提供弱 5V 電平和 5M? 源阻抗。

確保堆棧中的所有監測器都包含一種喚醒方法，以便整個系統正常運行。通過連接充電器向器件上的 LD 引腳施加電壓會引起喚醒，但重要的是添加適當的電路，以將每個引腳的電壓限制在數據表中的規格范圍內。

BQ76952 支持高達 400kHz I²C、SPI 和高速數據輸入輸出通信。每個器件都可以配置一個單獨的 I²C 地址。使用 TI 的 ISO1640 隔離器有利于與上層器件的通信，如適用于 20S 應用的工業電池管理模塊參考設計中所述。另一種選擇是使用分立式電路進行電平轉換。圖 5 展示了一個使用具有 SPI 通信的分立式電路示例。

電池平衡注意事項

將多個電池監測器鏈接在一起時，連接到底部器件的電池可能會與連接到頂部器件的電池不平衡。為了避免堆疊內功耗不均造成的不平衡，將堆疊中的每個器件配置為在內部啟用同一組模塊或元件可以保持功耗平衡。

考慮平衡由堆疊器件的 LDO 供電的外部電路。TI 的 BQ79616 和 BQ76952 監測器支持隨機電池連接熱插拔，但重要的是要查看每個器件的具體指南，以評估各種堆疊配置的設計。

結論

在 ESS 應用中，電池技術的興起帶來了新的挑戰。隨著存儲容量不斷擴大以推動向可再生能源的過渡，需要堆疊多個電池監測器才能確保完全覆蓋電池包。TI 的可擴展電池管理設計可滿足公用事業級、商業電池備用器件和住宅能源系統的不同要求。為了優化效率和系統成本，ESS 設計人員必須分析這些配置，以便更好地滿足系統要求。

其他資源

• 德州儀器 (TI)，BQ79616 16 節串聯電池監測器、平衡器和集成硬件保護器 數據表。
• 德州儀器 (TI)，提高電池監測系統中的電壓測量精度 技術文章。
• 德州儀器 (TI)，提高電池監測系統中的溫度測量精度 技術文章。
• 德州儀器 (TI)，輕松配置 BQ76942、BQ76952 電池監測器 應用報告。
• 德州儀器 (TI)，BQ76952 和 BQ76942 電池監測器 視頻。