實現不斷電智慧備用電池(第三部分)：電池管理系統

作者：ADI應用開發工程師Christian Cruz 及資深韌體工程師 Marvin Neil Cabueñas

摘要

本文介紹ADI為開放運算計畫(OCP)開放機架第3版(ORV3)備用電池單元(BBU)的電池管理系統(BMS)所開發的演算法。BMS是任何資料中心BBU不可或缺的裝置，其主要作用是透過監控和調節電池組的充電狀態(SOC)、健康狀況和功率來確保電池組的安全。因此，BMS是資料中心中複雜而重要的元件，必須謹慎設計和建置。

簡介

在探索ADI的BBU參考設計時，有必要瞭解BMS的工作原理。BMS負責監控和調節電池的狀況，確保電池在安全參數內運行。其中包括監控電池堆電壓、電池堆溫度和電池堆整體電流水平，以及管理充電和放電週期。穩健的BMS可以使系統實現理想效率和安全性。延長電池壽命對於維持峰值性能非常重要。在不知情的情況下頻繁過度充電或過度放電會損害電池健康，縮短電池使用壽命。透過仔細監測電池的健康狀態(SOH)並正確使用，可以避免電池意外關閉或故障，使電池發揮理想性能。

此外，監控電池的SOC對於電池堆的整體健康狀況非常重要。隨著時間的推移，電池的容量會有所減損，而電量耗盡至零時，將會加速電池容量的損耗。延長電池壽命的理想方法，是將電池電量保持在20%到80%之間。若能進一步瞭解電池的SOC將可確保BBU模組持續運行更長時間。

除了SOH和SOC之外，還必須能更瞭解放電深度(DOD)。DOD是使用充電電池時需要考慮的一個重要因素。其是指在單次放電迴圈中消耗的電池容量百分比。一般來說，為了延長電池整體壽命，建議避免將電池放電至20% DOD以下。然而，一些電池可以承受更深度的放電而不會造成顯著的損壞。請務必查詢製造商的指南，瞭解特定電池的具體放電深度建議。

此外，仔細考量電池的化學特性也是十分重要。在BBU模組的設計中，使用鋰離子(Li-ion)電池是一個謹慎的選擇。選擇鋰電池是因為其已得到廣泛使用，與OCP ORV3規範的要求完全一致 ¹ 。如此一致性的背後原因在於鋰電池的優良特性，即卓越的能量密度和非常輕的重量。值得注意的是，深入研究鋰電池的化學成分揭示了一個非常重要的事實：鋰電池的化學成分是一個複雜的關鍵因素，始終決定著電池的性能、安全性和整體耐用性。

另一個需要考慮的層面是電池平衡。電池平衡是電池技術領域的一個重要概念。隨著對高效、高性能電池的需求不斷增加，實現理想的電池平衡變得越來越重要。電池平衡是指均衡電池組內各個電池的電壓或SOC的過程。在包含多個電池的電池組中，每個電池都有各自獨特的特性，並且隨著時間的推移，電池性能可能會發生變化。製造容差、電池容量變化以及使用模式差異等因素，都可能導致電池不平衡。這些不平衡可能造成電池總容量減少、效率降低，甚至電池組過早失效。相關設計要求BBU上有一個被動平衡器。因此，被動平衡涉及使用電阻來洩放或消耗電壓水準較高的電池中的多餘能量。此種方法相對簡單且經濟高效，但會導致能量損失和熱量產生。電池平衡可確保電池組中的每個電池都以理想水準運行，進而提升儲能系統的整體效率和有效性，有助於BBU模組系統更加永續和可靠地運行。BBU中使用的BMS微控制器是 MAX32625。BMS微控制器負責兩個重要的過程。參見圖1。

1. 與BMS IC(ADBMS6948) 通訊，獲取電池電壓、電池溫度、欠壓、過壓和整體電池堆電流水準的遙測資料。
2. 2透過 I²C 通訊將從元件收集的所有遙測資料傳遞到主微控制器。

BMS微控制器透過SPI協議與ADBMS6948通訊。透過發送適當的指令程式碼，BMS微控制器允許該元件收集遙測資料並同時執行操作。參見圖2。從BMS IC收集的所有資料都將由BMS MCU發送和處理。

BMS微控制器的另一個重要任務是將收集到的資料發送到主微控制器，用於充電和放電演算法及風扇轉速控制。這是透過與BMS微控制器進行I2C協議通訊，然後由主微控制器讀取暫存器來完成的。BMS微控制器的暫存器映射如表1所示。

請注意，目前所有BMS微控制器暫存器都是唯讀暫存器。建構日期和序號僅採集一次，然後儲存在主微控制器的外部EEPROM中。

電池檢測和平衡操作

電池充電技術

定電壓(CV)和定電流(CC)是電池充電系統中採用的兩種不同充電技術，可優化充電過程並延長電池壽命。

CV充電

CV充電是一種在充電初始階段向電池堆施加固定電壓的充電方法。充電過程開始時，BBU模組工作在充電模式，保持44 V的穩定電壓水準，充電電流從5 A開始，隨著電池SOC的增加而逐漸減小。此種方法對於防止過度充電特別有效，因為電壓保持恆定，不會超過電池的安全電壓限值。電池堆電壓達到37 V至40 V或預定義閾值後，充電器可能會轉變到其他充電階段，例如將充電電流從5 A減少到0.5 A。

CC充電

CC充電則是向電池堆端子施加一致的充電電流。在此階段，充電電流保持在5 A不變，而電池電壓隨著電池充電的進行而逐漸升高。該方法對於初始充電水準較低的電池堆快速充電特別有用。其確保電流以受控方式流入電池堆，直至達到一定的電壓水準。 電池堆電壓達到預定點後，充電過程可以轉變到其他階段，例如將定電流從5 A減小到2 A，或者進入定電壓階段。

在BBU模組電池堆充電模式中，CV和CC充電方法經常結合使用，以獲得理想的充電曲線。前期CC階段協助快速向電池傳輸能量，而後期CV階段則透過限制電壓來避免過度充電。此種組合技術可實現高效充電，延長電池壽命，並保持電池組的安全性和性能。正確建置CV和CC充電機制對於BBU模組充電操作十分重要。

電池檢測方法

電池檢測方法是電池管理系統的一個關鍵方面。此技術目的在精準確定電池組中每個電池的電壓和狀態。電池檢測方法採用複雜的檢測電路和測量演算法，使系統能夠收集有關每個電池的電壓、溫度和整體健康狀況的即時資料，然後利用這些資訊做出有關充電、放電和平衡操作的明智決策，進而優化電池組的性能、安全性和使用壽命。有效的電池檢測對於維持現代儲能系統的整體效率和可靠性非常重要。

ADBMS6948有11個ADC，專門用於檢測電池組的11個差分電池輸入。電池堆採用11路串聯和6路並聯配置，並連接到C0至C10接腳，即BMS的ADC。ADC的輸入範圍為-2.5 V至+5.5 V，採樣頻率約為4 MHz，每1 ms產生16位元結果，LSB為150 μV。另有11個ADC專門利用S接腳同時測量11個差分輸入，輸入範圍為0 V至5.5 V，採樣頻率約為4 MHz，每8 ms產生13位元結果，LSB為1.6 mV。這些S-ADC透過完全獨立於C-ADC的測量方法實現冗餘電池電壓測量。

被動平衡操作

被動平衡是電池系統管理中常用的技術，其採用被動元件（特別是電阻）和並聯在每個電池上的整合MOSFET來實現電池平衡。這些整合元件承擔電壓洩放器或能量耗散器的作用，有利於使表現出較高電壓或能量狀態的電池以受控方式耗散多餘的能量，使得電池之間的電壓電位或能量狀態逐漸協調一致，進而在較長時間內促進電壓和能量平衡。

如果電池組中的電池變得不平衡，BMS必須透過讓電壓較高的電池放電來達成平衡。ADBMS6948上的S-ADC接腳可用於對單個電池進行放電。S-ADC接腳上內建的MOSFET可用於對電池進行放電。每個S-ADC接腳都可以使用PWM單獨或連續控制。透過配置PWMA、PWMB和CFGB暫存器，還可以在BMS微控制器處於休眠工作模式時平衡電池。

使用庫侖計數器的電池充電

庫侖計數器的主要作用是精準測量流入流出電池或電路的電荷量（以庫侖為單位）。透過此種測量，可以更準確地控制電池堆充電和放電，進而延長電池堆壽命，提升效率，並且更精準地監測容量。

ADBMS6948整合了庫侖計數器，因此可以監測充電過程中流經電池的電荷量。庫侖計數器也稱為整合電流感測器或電荷監測器，用於測量流入或流出電池的電荷總量（以庫侖為單位）。 使用庫侖計數器進行電池充電時，計數器會監測輸送到電池的電荷量。這是透過測量流經電池的電流並將其對時間積分以計算總電量來完成的。因此，估計電池的SOC並進行充電演算法可以優化充電過程。

ADBMS6948庫侖計數器的基本操作涉及將流入流出電池堆的電流對時間積分，以計算傳輸的總電荷。其工作原理如下：

• 電流測量：該元件測量流入或流出電池堆的電流。這通常利用電流感測器（例如連接在電池堆低端的分流電阻）來完成。
• 積分：使用ADBMS6948將測得的電流對時間積分。積分涉及定期對電流值求和以計算累積電荷。
• 容量計算：累積電荷轉換為安時(Ah)或庫侖，以提供有關電池堆剩餘容量的資訊。
• 監視與顯示：計算出的容量經過處理後傳輸到主MCU，並顯示在圖形化使用者介面上以供進一步處理。該資訊對於電池管理、確定SOC以及防止過度充電或過度放電非常有價值。

充電時，庫侖計數器會連續測量流過電池的電流，並將其對時間積分。透過瞭解電池的初始SOC，可以將積分電量與初始值相加來估計充電期間的SOC。此估計有助於防止過度充電，並支援進行充電演算法，根據溫度、電池使用時間和化學成分等因素優化充電過程。

歡迎查詢ADI相關電池平衡和電池壽命優化技巧文章，相關資源將對於該領域人士相當有助益。在此也推薦兩篇關於電池平衡類型的文章：「被動電芯平衡」 和 「主動電芯平衡」。有關電池特性測試的更多資訊，請參閱「配合電量計使用的鋰離子電池特性測試」。

總結

綜合以上，ADI的ADBMS6948 BMS與BBU的整合非常重要。BMS具有許多優點，可以提升電池系統的性能、安全性、可靠性和壽命。透過優化電池性能，良好的BMS有助於大幅延長電池壽命和提高容量，確保高效利用電池的儲能能力。BMS可以主動管理充電和放電過程，防止過度充電、過度放電和過熱，避免損壞電池。安全性是一個關鍵方面，尤其是對於電池系統。BMS整合了安全功能和監控機制，以防止熱失控並大幅減少潛在危險。其能防範過流、過壓和異常溫度情況，進而保護電池系統和周圍環境。能效是BMS的另一大優勢，優化充電和放電過程可大幅減少能量損失，並提升BBU的整體效率。這表示可以節省成本，減少對環境的影響，增加可用能源的利用率。

BMS還能精準監測和估算電池堆的SOC和SOH。這些資訊對於正確管理電池使用情況、計算剩餘執行時間以及規劃維護或更換時間十分重要。增加庫侖計數器對於精準測量和監測也非常關鍵，相關資訊對於在各種應用中實現高效電池管理和延長電池壽命十分實用，將有利於提高系統可靠性並降低意外故障的可能性。

總之，BBU中包含的ADI ADBMS6948 BMS在保證資料中心的性能、安全性和可靠性方面發揮著重要的作用，其可以提供每位用戶都應該瞭解的關鍵資訊，以協助延長電池使用壽命。

本系列的第四篇文章——「實現不間斷能源的智慧備用電池第四部分：BBU架的操作」——將介紹ADI如何設計和實現圖形化使用者介面，同時允許用戶與BBU架上的六個BBU模組進行通訊並從中收集資料。該篇文章並會說明作為BBU架專用MCU的MAX32625的功能和操作。

而相同系列之其他文章「實現不斷電智慧備用電池第一部分：電氣和機械設計」討論了BBU的電氣和機械設計考慮因素，以及 「實現不斷電智慧備用電池第二部分：BBU微控制器功能與操作」則進一步詳細介紹了主微控制器的軟體，歡迎搜尋瀏覽。