储能系统中的“智能助手”——运算放大器

电子发烧友网报道（文/黄山明）从定义中可以看到，运算放大器（Operational Amplifier，OPA）是一种具有高放大倍数的电子电路单元，通常用于放大模拟信号或进行各种数学运算。运放的工作原理和特性使其在电子电路设计中应用广泛，从音频放大到复杂信号处理，都能见到其身影。
 
而在储能系统中，OPA主要应用于精密电压或电流检测、信号调理以及控制回路中，确保系统的稳定和高效运行。
 
比如在电压测量上，运放通常用于测量每个单体电池的电压，确保其在充放电过程中保持在安全范围内。这有助于预防过充和过放状态，从而延长电池寿命。同时，由于传感器输出的信号往往较小，运放被用于将这些微弱信号放大到适合进一步处理的水平。例如，在电池组的不同状态下精确测量电压就需要高精度的运算放大器。
 
在温度监测上，运放还用于热敏电阻信号的调理，以监测电池的温度。在温度控制系统中，运放可以配置成比例-积分-微分（PID）控制器的一部分，从而实现更精确的温度调控。
 
当然，运放也可以配置成有源滤波器，用于消除高频噪声和干扰，提高信号质量。这是因为运放具有良好的共模抑制能力，它们能够抑制电缆和传感器引入的共模噪声，从而提高系统的可靠性。
 
此外，运放还具有电池均衡控制、故障监测与保护等能力，比如运放可用于检测电压和电流异常情况，例如过压、欠压、过流等，从而触发相应的保护措施，如断开连接或报警。在某些设计中，运放与数字隔离器结合使用，可以在高压和低压系统之间提供安全隔离，防止高压损坏低压电路。
 
国内的运算放大器方案
 
因为运放的特性，因此也被广泛应用到了储能产品中的各个方面，如BMS、电力转换系统以及相关的监控和保护电路中。具体来看，比如新能源汽车充电桩、UPS、太阳能储能系统、微电网系统等。
 
运放在国内已经属于比较成熟的产品，近几年来更是有了显著提升，甚至拉近了与国际巨头的差距，如TI与国产同类产品的技术差距正在缩小。
 
从具体方案来看，如国内的聚洵半导体推出的GS83XX/GS85XX系列，这些是高精度、低静态电流微型放大器，提供高阻抗输入和轨至轨输出。它们使用台积电先进的CMOS工艺及全新的斩波电路结构设计，失调电压最大仅为10μV，失调电压漂移最大为0.03 μV/℃，并内置抗RF干扰功能。
 
GS600X系列放大器则是专为各种低压通用应用而设计，具有1MHz的增益带宽积，最低工作电压可达1.8V，电压转换速率达到0.8V/μs，在5V电源电压下的静态电流只有75μA，并集成了抗RF干扰功能。
 
还有芯谷科技生产的D8541和D8542微功耗轨至轨运算放大器芯片，D8541是单运放，而D8542是双运放。这些芯片特别适用于NTC温度采集电路、ADC基准电压电路、有源滤波器、电压跟随器、信号放大器等电路应用，并在新能源充电桩、智能充电枪、储能等产品领域得到广泛应用。
 
纳芯微提供的单端和差分隔离运放NSi1300，可以用于大型储能BMS系统中的信号采样。能够提供8.2倍或41倍增益，并保持极低的增益误差。同时增加掉电检测，共模输入电压检测功能提供易用的安全诊断功能。通过选择合适的采样电阻，还可以实现0.1%系统精度。
 
总的来说，想要应用在储能产品中，运放需要满足低噪声、微功耗、高精度、轨至轨输出等特点。轨至轨输出意味着放大器能够驱动接近电源电压轨的输出信号，适合需要宽输出摆幅的应用。
 
小结
 
在储能产品中，运放不仅能够实现对电池电压、电流和温度的高精度测量与监控，还能够在复杂的电力转换和管理过程中提供关键的信号处理和控制功能。通过确保电池在最佳状态下工作，运放帮助储能系统维持高效、安全和稳定的运行，有效预防过充、过放和其他潜在风险，从而延长电池寿命并提升整个储能系统的可靠性和性能。