儲能系統(tǒng)中的“智能助手”——運算放大器

電子發(fā)燒友網(wǎng)報道（文/黃山明）從定義中可以看到，運算放大器（Operational Amplifier，OPA）是一種具有高放大倍數(shù)的電子電路單元，通常用于放大模擬信號或進行各種數(shù)學運算。運放的工作原理和特性使其在電子電路設(shè)計中應(yīng)用廣泛，從音頻放大到復(fù)雜信號處理，都能見到其身影。

而在儲能系統(tǒng)中，OPA主要應(yīng)用于精密電壓或電流檢測、信號調(diào)理以及控制回路中，確保系統(tǒng)的穩(wěn)定和高效運行。

比如在電壓測量上，運放通常用于測量每個單體電池的電壓，確保其在充放電過程中保持在安全范圍內(nèi)。這有助于預(yù)防過充和過放狀態(tài)，從而延長電池壽命。同時，由于傳感器輸出的信號往往較小，運放被用于將這些微弱信號放大到適合進一步處理的水平。例如，在電池組的不同狀態(tài)下精確測量電壓就需要高精度的運算放大器。

在溫度監(jiān)測上，運放還用于熱敏電阻信號的調(diào)理，以監(jiān)測電池的溫度。在溫度控制系統(tǒng)中，運放可以配置成比例-積分-微分（PID）控制器的一部分，從而實現(xiàn)更精確的溫度調(diào)控。

當然，運放也可以配置成有源濾波器，用于消除高頻噪聲和干擾，提高信號質(zhì)量。這是因為運放具有良好的共模抑制能力，它們能夠抑制電纜和傳感器引入的共模噪聲，從而提高系統(tǒng)的可靠性。

此外，運放還具有電池均衡控制、故障監(jiān)測與保護等能力，比如運放可用于檢測電壓和電流異常情況，例如過壓、欠壓、過流等，從而觸發(fā)相應(yīng)的保護措施，如斷開連接或報警。在某些設(shè)計中，運放與數(shù)字隔離器結(jié)合使用，可以在高壓和低壓系統(tǒng)之間提供安全隔離，防止高壓損壞低壓電路。

國內(nèi)的運算放大器方案

因為運放的特性，因此也被廣泛應(yīng)用到了儲能產(chǎn)品中的各個方面，如BMS、電力轉(zhuǎn)換系統(tǒng)以及相關(guān)的監(jiān)控和保護電路中。具體來看，比如新能源汽車充電樁、UPS、太陽能儲能系統(tǒng)、微電網(wǎng)系統(tǒng)等。

運放在國內(nèi)已經(jīng)屬于比較成熟的產(chǎn)品，近幾年來更是有了顯著提升，甚至拉近了與國際巨頭的差距，如TI與國產(chǎn)同類產(chǎn)品的技術(shù)差距正在縮小。

從具體方案來看，如國內(nèi)的聚洵半導(dǎo)體推出的GS83XX/GS85XX系列，這些是高精度、低靜態(tài)電流微型放大器，提供高阻抗輸入和軌至軌輸出。它們使用臺積電先進的CMOS工藝及全新的斬波電路結(jié)構(gòu)設(shè)計，失調(diào)電壓最大僅為10μV，失調(diào)電壓漂移最大為0.03 μV/℃，并內(nèi)置抗RF干擾功能。

GS600X系列放大器則是專為各種低壓通用應(yīng)用而設(shè)計，具有1MHz的增益帶寬積，最低工作電壓可達1.8V，電壓轉(zhuǎn)換速率達到0.8V/μs，在5V電源電壓下的靜態(tài)電流只有75μA，并集成了抗RF干擾功能。

還有芯谷科技生產(chǎn)的D8541和D8542微功耗軌至軌運算放大器芯片，D8541是單運放，而D8542是雙運放。這些芯片特別適用于NTC溫度采集電路、ADC基準電壓電路、有源濾波器、電壓跟隨器、信號放大器等電路應(yīng)用，并在新能源充電樁、智能充電槍、儲能等產(chǎn)品領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。

納芯微提供的單端和差分隔離運放NSi1300，可以用于大型儲能BMS系統(tǒng)中的信號采樣。能夠提供8.2倍或41倍增益，并保持極低的增益誤差。同時增加掉電檢測，共模輸入電壓檢測功能提供易用的安全診斷功能。通過選擇合適的采樣電阻，還可以實現(xiàn)0.1%系統(tǒng)精度。

總的來說，想要應(yīng)用在儲能產(chǎn)品中，運放需要滿足低噪聲、微功耗、高精度、軌至軌輸出等特點。軌至軌輸出意味著放大器能夠驅(qū)動接近電源電壓軌的輸出信號，適合需要寬輸出擺幅的應(yīng)用。

小結(jié)

在儲能產(chǎn)品中，運放不僅能夠?qū)崿F(xiàn)對電池電壓、電流和溫度的高精度測量與監(jiān)控，還能夠在復(fù)雜的電力轉(zhuǎn)換和管理過程中提供關(guān)鍵的信號處理和控制功能。通過確保電池在最佳狀態(tài)下工作，運放幫助儲能系統(tǒng)維持高效、安全和穩(wěn)定的運行，有效預(yù)防過充、過放和其他潛在風險，從而延長電池壽命并提升整個儲能系統(tǒng)的可靠性和性能。