一種用于戶外電源電池管理系統(tǒng)的冗余設(shè)計(jì)

作者：Chen, Dillen

便攜儲(chǔ)能市場(chǎng)的快速增長(zhǎng)帶來(lái)了戶外電源這一消費(fèi)品類，并且隨著消費(fèi)者對(duì)用電需求增加，使得戶外電源功率不斷增大。為了保證戶外電源的安全，電池管理系統(tǒng)（BMS）設(shè)計(jì)需要高度可靠，有些設(shè)計(jì)者會(huì)采用冗余設(shè)計(jì)來(lái)實(shí)現(xiàn)該需求。本文介紹一種戶外電源BMS中的冗余設(shè)計(jì)策略，以避免單點(diǎn)失效。

1. 供電環(huán)節(jié)冗余設(shè)計(jì)

BMS板上的主要用電設(shè)備有MCU、模擬前端、信號(hào)調(diào)理芯片、通信芯片等。其中，模擬前端由電池直接供電，而信號(hào)調(diào)理、通信、風(fēng)扇、顯示這些用電設(shè)備不直接影響系統(tǒng)安全，由降壓芯片將電池轉(zhuǎn)換為合適電壓供電即可。MCU最為重要，它不僅用于接收、處理、傳輸數(shù)據(jù)，還用于直接下達(dá)保護(hù)指令，因此需要冗余供電，常見(jiàn)的冗余供電設(shè)計(jì)如下圖1所示。

圖1 戶外電源BMS供電系統(tǒng)框圖

圖1顯示MCU具備兩路供電鏈路，主鏈路由降壓芯片將電池電壓轉(zhuǎn)換到3.3V供電，副鏈路通過(guò)模擬前端芯片內(nèi)置的LDO供電。當(dāng)降壓芯片由于干擾或其他原因工作異常，導(dǎo)致MCU掉電，切換到模擬前端供電，此時(shí)系統(tǒng)報(bào)告異常，停止充電或者放電。此外，模擬前端的LDO輸出經(jīng)Oring模塊(LM5050)連接MCU供電，正常工況下不從該鏈路取電。一旦主鏈路掉電，不間斷切換到該鏈路供電，防止MCU掉電重啟，丟失數(shù)據(jù)。該冗余設(shè)計(jì)也可用于降低系統(tǒng)功耗，正常工作時(shí)系統(tǒng)從降壓芯片取電，所有外設(shè)均工作。進(jìn)入休眠態(tài)后，降壓芯片禁用，MCU由模擬前端供電，其余外設(shè)不工作。

2.采樣環(huán)節(jié)冗余設(shè)計(jì)

模擬前端（AFE）芯片BQ76952可用于1-16s電芯的監(jiān)控，適用于2kw-5kw的戶外電源BMS中。AFE自帶電芯電壓采樣、電池包電壓采樣，也可外接采樣電阻監(jiān)測(cè)電流。為保證采樣系統(tǒng)的可靠，增加了外部采樣環(huán)節(jié)，如圖2所示，包括高精度電流采樣運(yùn)放INA280和通用運(yùn)放OPA197采集電流和電池包電壓。 正常工況下MCU從AFE和外部采樣環(huán)節(jié)得到的電壓電流數(shù)據(jù)無(wú)太大差異，平均處理后即可傳輸?shù)酵獠肯到y(tǒng)中，當(dāng)AFE和外部采樣環(huán)節(jié)得到的數(shù)據(jù)差異性過(guò)大，系統(tǒng)認(rèn)為存在異常，停止充電或者對(duì)外放電。

圖2 戶外電源BMS功能系統(tǒng)框圖

3. 復(fù)位環(huán)節(jié)冗余設(shè)計(jì)

BQ76952帶有Watchdog功能，喂狗時(shí)間可在0-65535s間配置。MCU需要在喂狗時(shí)間間隔內(nèi)定期發(fā)送指令給AFE，否則將自動(dòng)禁用AFE內(nèi)部LDO一段時(shí)間后再使能，使得MCU掉電重啟。為保證復(fù)位系統(tǒng)的可靠，還采用外部Reset芯片TPS3431用于冗余系統(tǒng)復(fù)位。正常工況下，AFE內(nèi)置的Watchdog用于自動(dòng)停止充電或者對(duì)外放電，而外部芯片則用于系統(tǒng)復(fù)位。休眠態(tài)時(shí)靠AFE內(nèi)置Watchdog使得MCU掉電重啟。

4. 保護(hù)環(huán)節(jié)冗余設(shè)計(jì)

BQ76952帶有電壓、電流保護(hù)，且可配置成多級(jí)保護(hù)。為避免AFE失效時(shí)系統(tǒng)無(wú)法工作，增加比較器，將外部采樣環(huán)節(jié)得到的電壓電流通過(guò)比較器LM293獲得觸發(fā)信號(hào)給MCU。正常工作時(shí)，前兩級(jí)保護(hù)配置在AFE中，將比較器獲得的觸發(fā)信號(hào)做第三級(jí)保護(hù)，如圖2所示。

5. 戶外電源電池包熱拔插設(shè)計(jì)

由于眾多消費(fèi)者對(duì)戶外電源續(xù)航的要求，滋生出了新的設(shè)計(jì)考量，即在主電池包基礎(chǔ)上增添副電池包，并且可支持熱拔插，來(lái)實(shí)現(xiàn)不間斷供電。然而在主電池包向副電池包換流過(guò)程中，低壓側(cè)電池包的充電FET的體二極管容易承受大電流，導(dǎo)致過(guò)熱，如圖3所示，如果時(shí)間過(guò)長(zhǎng)會(huì)損壞FET。

圖3 主電池包向副電池包換流過(guò)程

由于系統(tǒng)架構(gòu)采用MCU發(fā)指令給AFE的模式，如圖4所示，AFE在收到導(dǎo)通指令后，需要經(jīng)過(guò)固有延時(shí)（最長(zhǎng)會(huì)到250ms）才導(dǎo)通FET，如圖5，這使得體二極管承受長(zhǎng)時(shí)間大電流，容易損壞。盡管AFE具備體二極管保護(hù)功能，然而該應(yīng)用場(chǎng)景不能使能該功能。這是因?yàn)椴婚g斷供電的需求，以及防止高壓電池包電流倒灌到低壓電池包，系統(tǒng)會(huì)首先關(guān)斷CHG FET，電流換流到CHG FET的體二極管。此時(shí)如果觸發(fā)體二極管保護(hù)功能，充電FET會(huì)重新自動(dòng)導(dǎo)通，形成倒灌，所以不可取。

圖4 BMS FET控制架構(gòu)

圖5 AFE導(dǎo)通時(shí)間存在固有延時(shí)

加快FET的導(dǎo)通可以減小體二極管承受電流的時(shí)間，因此換流過(guò)程中采用MCU直驅(qū)的方式來(lái)快速閉合FET，以達(dá)到目的，控制架構(gòu)如圖6所示，將AFE的DCHG/DDSG信號(hào)與MCU的控制信號(hào)與邏輯后，通過(guò)高邊驅(qū)動(dòng)控制FET

圖6 添加MCU直驅(qū)的控制架構(gòu)

常規(guī)工況下，MCU恒定給高電平，系統(tǒng)靠AFE控制。發(fā)生熱插拔時(shí)， AFE先恒定給高電平，靠副包的MCU信號(hào)快速導(dǎo)通開(kāi)關(guān)管。