精準(zhǔn)監(jiān)測電池單體狀態(tài)，CMU在BMS中的兩種發(fā)展趨勢

電子發(fā)燒友網(wǎng)報(bào)道（文/黃山明）儲能系統(tǒng)中，BMS是其中核心組件之一，主要用于智能化管理及維護(hù)各電池單元，實(shí)時(shí)監(jiān)測電池SOC、SOH 等運(yùn)行狀態(tài)，防止電池本體或系統(tǒng)出現(xiàn)安全風(fēng)險(xiǎn)，助力儲能電池的安全、高效使用。

而CMU（Cell Monitoring Unit，單體監(jiān)控單元）是BMS的關(guān)鍵組成部分，主要作用是監(jiān)測電池的電壓、電流、溫度等基本參數(shù)，并將這些數(shù)據(jù)提供給BMU，只有這樣，BMS才能實(shí)現(xiàn)對電池狀態(tài)的判斷，繼而對電池管理提供決策依據(jù)。

CMU在BMS中的作用

通常而言，CMU主要負(fù)責(zé)電池狀態(tài)監(jiān)控、均衡控制、充放電管理等。而其工作原理包括電芯電壓和溫度信號監(jiān)控、系統(tǒng)繼電器控制、告警信號輸出等。

同時(shí)，CMU還負(fù)責(zé)采集儲能系統(tǒng)環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)信息，如消防系統(tǒng)、溫控系統(tǒng)、溫濕度傳感器水浸傳感器等，然后制定合理的溫控策略，提升電池溫度一致性，實(shí)現(xiàn)儲能系統(tǒng)全方位的消防預(yù)警、保護(hù)與聯(lián)動，提供高可靠的消防安全保證，做到對安全問題的有效防范、早發(fā)現(xiàn)、有效隔離和保護(hù)。

通常，CMU會根據(jù)BMS的指令，來控制電池系統(tǒng)的主要繼電器，如主開關(guān)、預(yù)充繼電器等，用以確保安全地接通或斷開電池與外部電路的連接。當(dāng)電池狀態(tài)異常，如電壓過高/過低、溫度超標(biāo)時(shí)，CMU會觸發(fā)告警信號，通知操作人員或外部系統(tǒng)采取措施。

在結(jié)構(gòu)上，CMU通常會需要一個(gè)MCU來控制模擬前端對電流、電壓、溫度等信號的采集，在通過隔離接口傳給BMU，BMU匯總串聯(lián)電池組中所有電芯的各項(xiàng)狀態(tài)信息，實(shí)現(xiàn)SOC估算、SOH估算和熱管理控制等功能。

并且隨著儲能系統(tǒng)開始朝著組串式和高壓級聯(lián)方案，CMU放置的位置和結(jié)構(gòu)也將發(fā)生一定的改變。比如在組串式儲能系統(tǒng)中，電池組通常按照串聯(lián)的方式連接，形成一個(gè)或多個(gè)電池串。每個(gè)電池串可以包含多個(gè)電池單元或電池模塊。

CMU通常位于每個(gè)電池串的附近，直接連接到電池單元或模塊上，每個(gè)CMU負(fù)責(zé)監(jiān)控其所在電池串中的所有電池單元。

而在高壓級聯(lián)儲能系統(tǒng)中，電池組被設(shè)計(jì)成多個(gè)獨(dú)立的低壓單元，這些單元通過級聯(lián)的方式組合起來，以達(dá)到所需的高壓輸出。CMU位于每個(gè)低壓單元內(nèi)部或附近，負(fù)責(zé)監(jiān)控該單元內(nèi)的所有電池單元，也可以集成在低壓單元的BMS模塊中。

在這種架構(gòu)中，由于每個(gè)低壓單元相對較小，CMU的通道數(shù)量可能較少。并且CMU可能需要額外的功能，比如與DC-DC轉(zhuǎn)換器或逆變器的接口。

整體來看，隨著對儲能系統(tǒng)性能要求的提高，CMU在電池均衡、熱管理以及與PCS、EMS的通信中扮演的角色可能會變得更加重要。它們不僅需要提供準(zhǔn)確的電池狀態(tài)信息，還需要能夠快速響應(yīng)來自上層管理系統(tǒng)的控制指令，以實(shí)現(xiàn)整個(gè)儲能系統(tǒng)的優(yōu)化運(yùn)行。

CMU的兩種發(fā)展趨勢

在CMU的結(jié)構(gòu)中，通常會包含MCU、AFE、溫度傳感器、電流檢測放大器、隔離通信接口、PMIC、保護(hù)電路、存儲器、時(shí)鐘電路、輔助傳感器，但CMU中的核心一般還是圍繞MCU和AFE芯片構(gòu)建的，這些芯片負(fù)責(zé)監(jiān)測電池單元的狀態(tài)，并通過適當(dāng)?shù)慕涌谂cBMS的其他部分通信。

比如大聯(lián)大世平近期推出的一款CMU，主要基于NXP S32K118和MC33774芯片為核心所打造。S32K118作為NXP專為通用汽車和高可靠性工業(yè)應(yīng)用設(shè)計(jì)的MCU，已通過了AEC-Q100認(rèn)證，采用Arm M0+內(nèi)核，主頻為48MHz，并具有25KB SRAM和256KB Flash。

AFE芯片則采用NXP MC33774，該芯片支持4-18串電池監(jiān)測，能夠進(jìn)行高精度的電壓、溫度和電流測量，電芯電壓檢測精度可達(dá)±0.8mV，測量誤差小于2mV。

可以看到，以MCU和AFE芯片為核心打造的CMU可以確保對電池狀態(tài)的準(zhǔn)確監(jiān)測，還提供了高級別的控制和保護(hù)功能。MCU是CMU的大腦，負(fù)責(zé)接收和處理來自AFE的數(shù)據(jù)，執(zhí)行算法，并做出決策，如啟動或停止均衡過程、調(diào)整充電/放電策略等。甚至可以實(shí)現(xiàn)過壓、欠壓、過溫等保護(hù)功能，確保電池在安全范圍內(nèi)運(yùn)行。

而AFE芯片能夠高精度地監(jiān)測電池單元的電壓和電流，這對于準(zhǔn)確評估電池狀態(tài)至關(guān)重要。AFE通常集成了溫度傳感器接口，可以監(jiān)測電池單元的溫度。并且AFE還支持被動或主動均衡功能，幫助平衡電池單元間的電壓差，延長電池壽命，并且可以集成隔離功能，減少電磁干擾，提高系統(tǒng)的整體安全性。

顯然，MCU和AFE共同協(xié)作，MCU負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)處理、控制策略制定和通信，而AFE則專注于高精度的數(shù)據(jù)采集和電池單元的直接監(jiān)控。

但也有另一種方案可以無須MCU，比如TI曾推出過一款解決方案無需MCU即可實(shí)現(xiàn)CMU中的數(shù)據(jù)監(jiān)測，使得系統(tǒng)設(shè)計(jì)更加簡化。并通過菊花鏈通訊系統(tǒng)替換CAN總線，從而實(shí)現(xiàn)CMU之間的通信。由于菊花鏈本身自帶隔離功能，能夠進(jìn)一步降低成本，提升可靠性。

此外，使用FPGA或ASIC可以提供另一種可行的替代方案，由于其靈活性和可重配置性，F(xiàn)PGA與ASIC能夠直接實(shí)現(xiàn)許多原本需要MCU處理的功能，如數(shù)據(jù)采集、處理、充放電控制邏輯以及通信協(xié)議的實(shí)現(xiàn)。

雖然MCU在儲能BMS系統(tǒng)中發(fā)揮著極其重要的作用，但通過采用先進(jìn)的集成電路、可編程邏輯設(shè)備或其他電子組件，可以在不直接使用MCU的情況下構(gòu)建CMU模塊。

總結(jié)

CMU通過精確監(jiān)測電池的電壓、電流、溫度等關(guān)鍵參數(shù)，為BMS提供了實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)支持，確保電池組的安全、穩(wěn)定和高效運(yùn)行，是BMS中不可或缺的重要一環(huán)。未來CMU有望采用更先進(jìn)的傳感器技術(shù)、人工智能算法進(jìn)行電池狀態(tài)的深度學(xué)習(xí)和預(yù)測、以及與智能電網(wǎng)和可再生能源系統(tǒng)的無縫集成，實(shí)現(xiàn)更加靈活和高效的能源管理，并向著采用MCU與非MCU的方向邁進(jìn)。