ADI张松刚：储能系统的BMS及电源系统设计.pptx

Dec 2021 张 松 刚 储 能 系 统 的 BMS及 电 源 系 统 设 计 28 December 2021 1©2021 Analog Devices, Inc. All rights reserved. 双碳背景推 动储 能的 发 展 集中式 储 能及 ADI解决方 案 家用 储 能系 统 及 户 外 电 源 设 计 其它技 术 可与 储 能系 统 相 结 合 目 录  双碳背景下能源形 势变 化  未来 电 网的 变 化及 趋势 储 能系 统 的作 用  储 能系 统 及 应 用 双碳背景推 动储 能的 发 展 28 December 2021 2©2021 Analog Devices, Inc. All rights reserved. 双碳背景下能源形 势 的 变 化 低 压电 器 + 智能 电 表 特高 压输 电 + 智能 变电 站 + 配 电 网自 动 化 发 电 输电 配 电 用 电能源流 水 电 + 风 能 + 太阳能 集中式 储 能 特高 压输 电 + 智能 变电 站 + 配 电 网自 动 化 智能低 压电 器 + 新一代智能 电 表 电 力物 联 网 充 电桩 ► 2020 新基建 – 在能源网上包括了特高 压 和新 能 源 汽 车 充 电桩 ► 在 “3060 碳达峰和碳中和 ”的目 标 下 ， “十四五 ”有新布局， ► “十四 五 ”关 键 指 标 – 单 位 GDP能源消耗降低 13.5% – 单 位 GDP二氧化碳排放降 低 18% – 能源 综 合生 产 能 力 46亿 吨 标 准 煤 •特高 压•新能源汽 车 充 电桩 •城 际 高 铁 交通网 •5G基站建 设•大数据中心•人工智能 •工 业 互 联 网 •城市 轨 道 信息网 ► 2020年的新基建 能源网 分布式 储 能 火力 发电 清 洁 能源、 储 能、 远 距 离 能 源 输 送和充 电桩 成 为 热 点 来源 ： “十四五 ”规 划 ， ADI整理 28 December 2021 3©2021 Analog Devices, Inc. All rights reserved. 未来 电 网的 变 化及 趋 势 – 越来越多的 ESS 家用及住宅 ESS 家庭自用 太阳能 + 充 电桩 集 成 备 用 电 源 输电领 域用 ESS 能源 转 移 延 缓 投 资 可再生能源用 ESS 可再生能源整合 = 存 储 和使用 降低可再生能源 缩 减 电 网 稳 定性 工 业 ESS自用 调 峰 电 能 账单优 化 备 用 电动 汽 车 充 电 基 础设 施 ESS 增 强 电 网 稳 定性 提升充 电 性能 V2G 电 网和 发电 厂 ESS 频 率 调节 动态 适 应间 歇 电 源和 负 载 备 用 电 源 28 December 2021 4©2021 Analog Devices, Inc. All rights reserved. 储 能系 统 的作 用 电 化学 中的 锂 离子 电 池 技 术 高能量 密度的 锂 离子 电 池 电 池管 理系 统 应对过 充 过 放 电 池的 安全及 电 池系 统 中 的 隔离 ► 储 能 应 用的主要技 术  电 池管 理  功率 转 换 28 December 2021 5©2021 Analog Devices, Inc. All rights reserved. 储 能系 统 及 应 用 风 、光与 储 能 结 合 电 网 侧储 能系 统 工 业应 用 ►单 体 + 分布式 储 能 ►堆 叠 + 集中式 储 能 ► 电 池堆叠串 联 可达 1500V ► 总线电 流 /电压测 量及管 理 ► 各模 块 之 间 需隔离 ► 分 级 管理与控制 ► 功能安全要求 ► 电 池包独立 设计 (48V系 统 ) ► 电 流与 电压检测 同步 ► 太阳能及其它 电 源 输 入 ► 双向升降 压 DC/DC控制 充 电 站 家用 储 能 户 外及便携式 电 源 28 December 2021 6©2021 Analog Devices, Inc. All rights reserved. 双碳背景推 动储 能的 发 展 集中式 储 能及 ADI解决方 案 家用 储 能系 统 及 户 外 电 源 设 计 其它技 术 可与 储 能系 统 相 结 合 目 录  集中式 储 能系 统结 构  储 能系 统 中 ADI 解决方 案 28 December 2021 7©2021 Analog Devices, Inc. All rights reserved.  BMS芯片及隔离通信  母 线监测  主 动 均衡及功能安 全 集中式 储 能的基本 结 构 PCS PMU Current Sensing Current Sensing BMS Board BMS Board Iso-Interface RACK Protection BMU 电 池管理 功率 转换 一 级 ： 电 池包 级 （ PACK ） BMS Board 二 级 ： 电 池簇 级 （ RACK ） BMU ► 三 级 ： 储 能系 统 级 PMU RACK 汇 流 28 December 2021 8©2021 Analog Devices, Inc. All rights reserved. 电 池包 BMS设计 的 变 化 ADI的 AFE带 来 BMS结 构的改 变 AFE可以独立工作，可以直接从 电 池 包取 电  AFE采用菊花 链 通信方式，可 级联  AFE自 带 IsoSPI接 口 ， 并 兼 容 SPI  AFE不 仅 能 测 量 电 芯 电压 ， 还 能 测 量 温度  AFE可以完成被 动 均衡 早期的 电 池包 BMS设计  包内有独立的 BMS板，板内 含 MCU  AFE通 过 SPI与 MCU相 连 ，并 需 要隔 离  AFE主要 负责测 量 电 芯 电压 和温度  MCU来控制均衡，也可以 由 AFE完成  MCU输 出 到 BMU需要 隔 离 ► BMS电 池管理芯片  电 池 电 芯 监 控 器  也称 为 AFE 28 December 2021 9©2021 Analog Devices, Inc. All rights reserved. BBMU 集中式 储 能的基本 结 构 – ADI解决方 案 PCS Processor Current Sensing Current Sensing Fuel Gauge Gate driver BMS BMS Balance Iso-InterfaceISOSPI Power Processor RACK Protection Current /Voltage 电 池管理 功率 转换RACK 汇 流 28 December 2021 10©2021 Analog Devices, Inc. All rights reserved. ► ADI 的 产 品 及方案 – BMS Monitor: ADBMS1818, ADBMS6830 – ISOSPI: LTC6820 – Bus Monitor: LTC2949/2950 – Active balancing: LT8584 – Power supply: LTC8315， LTC8302 ► ADI 的 产 品及 方 案 – Gate driver: ADuM413x, ADuM414x – Iso-Interface: ADM3050, ADM2484, ADuM315x, ADM276xE – Current Sense: AD8418A, ADAF1080 – Voltage detection: AD7124, AD7606,AD7616 ADBMS1818 – 18单 元 电 池 监 控 器 ► 测 量 18个串 联电 池 单 元 ► 业 界 较 高的精度：  3mV总测 量 误 差 ► 16位 Delta Sigma可 编 程噪声 滤 波 器 ► 高 级 可逆 isoSPI™接口 ► 200mA被 动电 池平 衡 能力 ► 9个通用数字 I/O或模 拟输 入 ► 同步 电压 和 GPIO测 量 ► LQFP 64引脚封装 28 December 2021 11©2021 Analog Devices, Inc. All rights reserved. ADBMS6830 – 16单 元 电 池 监 控 器 ► 新一代 BMS芯 片架构 ► 16 通道 , 每通道一路 ADC ► 4.2MHz 输 入采 样 ► 2µs 输 入 AAF 滤 波器 ► 18-bit, 1kSPS的噪声 : 27µVRMS ► 每通道 ADC替代了 输 入多路开关 + RC 滤 波器 ► 同 样 : 没有 HPF (没有最小 fexc) 28 December 2021 12©2021 Analog Devices, Inc. All rights reserved. LTC6820 – isoSPI™收 发 器► 支持所有 ADI isoSPI™器件 ► 高数据速率隔离式数据通信 – 主机模式 ： 2Mbps – 从机模式 ： 1Mbps ► 使用 标 准 变压 器 实现 的 电 气隔 离 ► 低成本 单 条双 绞线 上的双向接 口 – 支持 长 达 100米的 电缆 ► 极低 EMI敏感性和 辐 射 ► 超低 2µA空 闲电 流 ► 自 动唤 醒 检测 ► 2.7V至 5.5V电 源 ► 16引脚 MSOP封装 28 December 2021 13©2021 Analog Devices, Inc. All rights reserved. ADBMS1818 评 估系 统 EVAL-ADBMS1818Z DC2792B Dual Master isoSPI Adapter BMS Demo Board DC2026 (Linduino) or DC590B Microcontroller board Dual LTC6820 isoSPI SPI https://www.analog.com/en/design-center/evaluation-hardware-and-software/evaluation-boards-kits/EVAL-ADBMS1818.html#eb-overview https://wiki.analog.com/resources/EVAL/EVAL-ADBMS1818 电 池 模 拟 信号 源 28 December 2021 14©2021 Analog Devices, Inc. All rights reserved. 或 ► EVAL-ADBMS1818 + DC2026 (Linduino) + DC2792A (LTC6820) + DC2472A (load interface board) ADBMS1818设计资 源 ADBMS1818 foxBMS board • ADBMS1818 (2x – 36ch) Slave Board compatible with foxBMS Master Unit (Link here) • Each ADBMS1818 measures SOC of 18 cells in series • Passive balancing capability • isoSPI Daisy chain connection in forward and reverse direction • Schematics and design files available • Evaluation board for the ADBMS1818 available • Cell voltage, temperature and SOC monitored • GUI to manage all the communications and results • Source code and GUI available from foxBMS open-source project • Tested with the SDP-K1 MCU • App Note released (AN-2093) 28 December 2021 15©2021 Analog Devices, Inc. All rights reserved. LTC2949 – 整 组电 池 总线监 测 ► 双 电 流 测 量  Configurable for High Side or Low Side Operation  ±124mV Range, 237.5nV Resolution (20-Bit DS)  3uV Offset Max (-40°C to 125°C)  Fast Overcurrent Detection w/ Deglitch  Max / Min Values Stored On-board ► 电压测 量  ±5.5V Range, 46µV Resolution (18-Bit DS)  Dedicated Stack Measurement  7 Dedicated Buffered Voltage Inputs  5 Additional Buffered Voltage Inputs or Digital Outputs (Configurable as Heartbeat Monitors) ► 内 置 isoSPI™ 接口 ► BMS 芯片同步 测 量 ► 4.5V ~ 14V 供 电电压 ► 温度范 围 ： -40°C to 125°C LTC2949 68 xx 68 xx LTC6820 ► 实时处 理 28 December 2021 16©2021 Analog Devices, Inc. All rights reserved.  1% 精度的功率、 电 能和 电 荷 测 量  电 荷和能量的无 损 跟踪  内置 Tolerance VLOW up to 60V  Synchronous Rectification: Up to 98% Efficiency  Programmable Inductor Current Monitoring and Regulation  SPI Compliant Serial Interface  Operation Status and Fault Report  Programmable VHIGH, VLOW Margining  Phase-Lockable Frequency: 60kHz to 750kHz  Spread Spectrum Modulation Optional  Multiphase/Multi-ICs Operation Up to 24 Phases 28 December 2021 28©2021 Analog Devices, Inc. All rights reserved. LTC7872: 4相双 向 DC/DC 控制器 Features and Specifications  Unique Architecture Allows Regulation of Input Voltage, Output Voltage or Current  Operates with External Gate Drivers and MOSFETs  VHIGH up to 100V; VLOW up to 60V  Synchronous Rectification: Up to 98% Efficiency  Programmable Inductor Current Monitoring and Regulation  SPI Compliant Serial Interface  Operation Status and Fault Report  Programmable VHIGH, VLOW Margining  Phase-Lockable Frequency: 60kHz to 750kHz  Spread Spectrum Modulation Optional  Multiphase/Multi-ICs Operation Up to 24 Phases 28 December 2021 29©2021 Analog Devices, Inc. All rights reserved. LTC7060: 100 V 浮地半 桥驱 动 Features and Specifications ► Unique symmetric floating gate driver architecture ► High noise immunity, tolerates ±10 V ground difference ► Minimum SW voltage is –10 V ► 100 V max VIN independent of IC supply voltage VCC ► 6 V to 14 V VCC operating voltage ► 4 V to 14 V gate driver voltage ► 0.8 Ω pull-down, 1.5 Ω pull-up for fast turn-on/off ► Shoot-through protection ► Programmable dead time ► Three-state PWM input with enable pin ► Drives dual N-channel MOSFETs ► Thermally enhanced 12-lead MSOP ► AEC-Q100 automotive qual in progress 28 December 2021 30©2021 Analog Devices, Inc. All rights reserved.