OCP ORV3 智能电池备用装置的电池管理系统

本文介绍了针对开放计算项目 (OCP) Open Rack V3 (ORV3) 电池备份单元 (BBU) 开发的电池管理系统 (BMS) 算法，BMS 是任何数据中心 BBU 的必备设备。其主要职责是通过监控和调节电池组的充电状态 (SOC)、健康状况和功率来确保电池组的安全。因此，设计和实施 BMS 时必须非常谨慎，因为它是数据中心中复杂而重要的组件。

在探索 ADI 的 BBU 参考设计时，有必要了解 BMS 的工作原理。BMS 负责监控和调节电池的状态，确保其在安全参数范围内运行。这包括监控电池组电压、电池组温度和整体电池组电流水平，以及管理充电和放电周期。实施强大的 BMS 可实现系统级解决方案的最佳效率和安全性。确保电池寿命长对于实现最佳性能至关重要。在不知情的情况下频繁过度充电或过度放电会损害电池健康并缩短电池寿命。通过仔细监控电池的健康状态 (SOH) 并正确使用电池，电池将避免任何不合时宜的关机或故障，并发挥最佳性能。

此外，监控电池的 SOC 对电池组的整体健康至关重要。随着时间的推移，电池容量会下降，而将电池电量耗尽会加速这一过程。电池寿命的最佳时间是将电池电量保持在 20% 至 80% 之间。了解电池的 SOC 可确保 BBU 模块在更长的时间内保持功能正常。

除了 SOH 和 SOC 之外，还必须更好地了解放电深度 (DOD)。DOD 是使用可充电电池时需要考虑的重要因素。它指的是单次放电周期中消耗的电池容量百分比。一般来说，建议避免将电池放电至低于 20% DOD，以延长其整体寿命。但是，有些电池可以承受更深的放电而不会造成严重损坏。务必查阅制造商的指南，了解特定电池的具体放电深度建议。

此外，必须仔细考虑电池化学方面。在 BBU 模块的设计中，使用锂离子 (Li-ion) 电池是一个谨慎的选择。这一选择源于锂离子电池的广泛使用，这与 OCP ORV3 规范要求的采用无缝契合。[1] 这种契合背后的原理是锂离子电池的卓越特性，即其卓越的能量密度和极低的重量。值得注意的是，深入研究锂离子电池的化学性质会揭示一个至关重要的事实：它们的成分是一个复杂的关键因素，它总是决定着它们的性能、安全性和整体耐用性。

另一个需要考虑的领域是电池平衡。电池平衡是电池技术领域的一个重要概念。随着对高效高性能电池的需求不断增加，实现最佳电池平衡变得越来越重要。电池平衡是指均衡电池组内各个电池的电压或 SOC 的过程。在多电池电池组中，每个电池都有自己独特的特性，并且性能可能会随着时间的推移而发生变化。制造公差、电池容量变化和使用模式差异等因素可能会导致电池不平衡。这些不平衡可能导致整体电池容量减少、效率下降，甚至电池组过早失效。设计要求在 BBU 上安装一个被动平衡器。因此，被动平衡涉及使用电阻器从电压水平较高的电池中释放或耗散多余的能量。这种方法相对简单且经济高效，但可能导致能量损失和发热。通过确保电池组中的每个电池都以最佳水平运行，电池平衡可提高储能系统的整体效率和有效性，从而有助于 BBU 模块系统更可持续、更可靠地运行。BBU 中使用的 BMS 微控制器是电池平衡可提高储能系统的整体效率和有效性，有助于 BBU 模块系统更可持续、更可靠的运行。BBU 中使用的 BMS 微控制器是电池平衡可提高储能系统的整体效率和有效性，有助于 BBU 模块系统更可持续、更可靠的运行。BBU 中使用的 BMS 微控制器是MAX32625。BMS微控制器负责两个重要过程。见图1。

图 1. 连接到 BMS IC (ADBMS6948) 的 BMS 微控制器 (MAX32625)。

1. 与 BMS IC ( ADBMS6948 ) 通信以获取电池电压、电池温度、欠压、过压和整体电池组电流的遥测数据

2. 通过 I2C 通信将从设备收集的所有遥测数据传送到主微控制器。

BMS 微控制器通过 SPI 协议与 ADBMS6948 通信。通过发送适当的命令代码，BMS 微控制器允许设备收集遥测数据并同时执行其操作。参见图 2。BMS IC 收集的所有数据都将由 BMS MCU 发送和处理。

图2. BMS微控制器对BMS芯片发出命令和存储数据的过程。

BMS 微控制器的另一项重要任务是将收集的数据发送到主微控制器，用于充电和放电算法以及风扇速度控制。这是通过 I 2 C 协议与 BMS 微控制器通信完成的，寄存器由主微控制器读取。BMS 微控制器的寄存器映射见表 1。

表 1. BMS 微控制器寄存器映射

请注意，目前所有 BMS 微控制器寄存器都是只读寄存器。构建日期和序列号仅被捕获一次，并存储在主微控制器的外部 EEPROM 中。

电池检测和平衡操作

电池充电技术

恒定电压 (CV) 和恒定电流 (CC) 是电池充电系统中采用的两种不同的充电技术，用于优化充电过程并延长电池寿命。

恒压充电

CV 充电是一种充电方法，在充电的初始阶段向电池组施加固定电压。充电过程开始时，BBU 模块处于充电模式，并保持 44 V 的稳定电压水平，同时允许 5 A 的充电电流随着电池 SOC 的增加而逐渐减小。这种方法在防止过度充电方面特别有效，因为电压保持恒定并且不超过电池的安全电压限值。一旦电池组电压达到 37 V 至 40 V 或预定义阈值，充电器可能会转换到不同的充电阶段，例如将充电电流从 5 A 降低到 0.5 A。

CC 充电

另一方面，CC 充电涉及向电池组端子施加恒定的充电电流。在此阶段，充电电流保持恒定在 5 A，而电池电压随着电池充电而逐渐上升。

该方法对于快速充电初始电量较低的电池组尤其有用。它确保电流以受控方式流入电池组，直到达到某个电压水平。一旦电池组电压达到预定点，充电过程可能会转换到不同的阶段，例如将恒定电流从 5 A 降低到 2 A 或恒定电压阶段。

在 BBU 模块电池组充电模式中，CV 和 CC 充电方法经常结合使用，以获得最佳充电曲线。早期 CC 阶段有助于快速向电池输送能量，而第二个 CV 阶段则通过限制电压来避免过度充电。这种组合技术可实现高效充电、延长电池寿命并保持电池组的安全性和性能。正确的 CV 和 CC 充电机制实施对于 BBU 模块充电操作至关重要。

Cell检测方法

电池检测方法是电池管理系统的一个关键方面。该技术旨在准确确定电池组中每个电池的电压和状态。通过采用复杂的传感电路和测量算法，电池检测方法使系统能够收集有关每个电池的电压、温度和整体健康状况的实时数据。然后利用这些信息做出有关充电、放电和平衡操作的明智决策，从而确保电池组的最佳性能、安全性和使用寿命。有效的电池检测对于维持现代储能系统的整体效率和可靠性至关重要。

ADBMS6948 的 11 个 ADC 专用于感测电池组的 11 个差分电池输入。电池组采用 11 串联和 6 并联配置，并连接到 C0 至 C10 引脚，即 BMS 的 ADC。它们的输入范围为 –2.5 V 至 +5.5 V，采样频率约为 4 MHz，每 1 毫秒产生 16 位结果，LSB 为 150 μV。另外 11 个 ADC 专用于同时测量 11 个差分输入，使用 S 引脚，输入范围为 0 V 至 5.5 V，采样频率约为 4 MHz，每 8 毫秒产生 13 位结果，LSB 为 1.6 mV。这些 S-ADC 通过与 C-ADC 完全独立的测量方法实现冗余电池电压测量。

被动平衡操作

被动平衡是电池系统管理中常用的一种技术，其中将被动元件(特别是电阻器)的使用与与各个电池并联布置的 MOSFET 集成相结合。这些集成元件充当电压泄放器或能量耗散器的角色，有助于控制电压或能量状态升高的电池中剩余能量的耗散。其结果是电池单元之间的电压电位或能量状态逐渐协调，从而促进长时间内的电压和能量平衡。

如果电池组中的电池不平衡，则必须通过放电电压较高的电池来平衡 BMS。ADBMS6948 上的 S-ADC 引脚可用于放电单个电池。S-ADC 引脚上的内置 MOSFET 可用于放电电池。每个 S-ADC 的引脚都可以单独控制或使用 PWM 连续控制。通过配置 PWMA、PWMB 和 CFGB 寄存器，在 BMS 微控制器处于睡眠模式时平衡电池也是可行的。

使用库仑计对电池进行充电

库仑计的主要用途是准确测量流入和流出电池或电路的电荷量(以库仑为单位)。通过这种测量可以更好地控制电池组的充电和放电，确保更长的电池组寿命、更高的效率和更准确的容量监控。

ADBMS6948 具有集成库仑计。这样可以监控充电过程中流过电池的电荷量。库仑计也称为集成电流传感器或电荷监控器，用于测量传输到电池或从电池传输的总电荷量(以库仑为单位)。当使用库仑计为电池充电时，计数器会监控传输到电池的电荷量。这是通过测量流过电池的电流并随时间积分来计算总电荷来实现的。因此，估计电池的 SOC 并实施充电算法可以优化充电过程。

ADBMS6948 库仑计的基本操作是将流入或流出电池组的电流随时间积分，以计算传输的总电荷。其工作原理如下：

· 电流测量：该设备测量流入或流出电池的电流，这通常使用电流传感器(例如连接在电池组低压侧的分流电阻器)来完成。

· 积分：使用 ADBMS6948 对测量的电流进行随时间积分。积分涉及定期汇总电流值以计算累积电荷。

· 容量计算：累计电量转换为安培小时 (Ah) 或库仑。这提供了有关电池组剩余容量的信息。

· 监控和显示：计算出的容量经过处理，传输到主 MCU，并显示到图形用户界面以供进一步处理。这些信息对于电池管理、确定 SOC 以及防止过度充电或过度放电非常有用。

充电时，库仑计会持续测量流过电池的电流，并随时间积分。通过了解电池的初始 SOC，您可以通过将积分电荷添加到初始值来估算充电期间的 SOC。此估算有助于防止过度充电，并允许实施充电算法，以优化充电过程，以适应温度、电池年龄和化学性质等因素。

概括

因此，将 ADI 的 ADBMS6948 BMS 与 BBU 集成至关重要。BMS 具有许多优势，可提高电池系统的性能、安全性、可靠性和使用寿命。通过优化电池性能，良好的 BMS 有助于最大限度地延长电池寿命和容量，确保高效利用其储能能力。它主动管理充电和放电过程，防止过度充电、过度放电和过热，从而损坏电池。安全性是一个关键方面，尤其是对于电池系统而言。BMS 结合了安全功能和监控机制，以防止热失控并最大限度地减少潜在危险。它可以防止过流、过压和异常温度情况，保护电池系统和周围环境。能源效率是 BMS 的另一大优势。优化充电和放电过程可最大限度地减少能源损失并提高 BBU 的整体效率。这意味着节省成本、减少环境影响并增加可用能源的利用率。

BMS 还能准确监测和估计电池组的 SOC 和 SOH。这些信息对于正确管理电池使用、计算剩余运行时间以及规划维护或更换至关重要。添加库仑计对于精确测量和监测非常重要。这些信息对于高效电池管理和延长各种应用中的电池寿命至关重要，从而提高系统可靠性并降低意外故障的可能性。

总体而言，ADI 的 ADBMS6948、BBU 中的 BMS 在保证数据中心的最佳性能、安全性和可靠性方面发挥着重要作用。它提供了每个用户都应该了解的关键信息，以延长其可服务性操作。