立功科技·求遠(yuǎn)電子推出的ESS戶(hù)儲(chǔ)BMS方案,基于MPS的MP2796電池管理芯片設(shè)計(jì),支持7~16節(jié)電池管理,支持主動(dòng)均衡和被動(dòng)均衡。
因?yàn)楫?dāng)前鋰電池單體的容量限制,為了滿(mǎn)足家庭儲(chǔ)能系統(tǒng)對(duì)容量和電壓的需求,必須將多個(gè)鋰電池單體串聯(lián)形成電池組,以增加容量和提升電壓。然而,由于鋰電池生產(chǎn)工藝的差異,電池單體之間往往存在性能差異,這就要求通過(guò)電路設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)電池組的管理。
此外,鋰電池在使用過(guò)程中容易發(fā)生過(guò)充或過(guò)放現(xiàn)象,這就需要一個(gè)綜合管理系統(tǒng)來(lái)對(duì)電池的電壓、電流、溫度等關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、處理及數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和報(bào)告。本解決方案旨在針對(duì)上述挑戰(zhàn)提供專(zhuān)業(yè)的解決策略。
方案設(shè)計(jì)
該方案采用兩片MP2796芯片作為電池采集模擬前端,每片MP2796支持7~16串電池組,可在18~75.2V的電壓范圍下工作。為滿(mǎn)足不同串電池包的需要,方案支持按需增加或減少M(fèi)P2796芯片級(jí)聯(lián),只需通過(guò)隔離SPI總線掛接在主控處理器上即可,方案采用的是HC32F460處理器,可以滿(mǎn)足對(duì)通訊接口及其他控制的需求。
根據(jù)規(guī)范要求,每片MP2796會(huì)搭配模擬開(kāi)關(guān)擴(kuò)展NTC采集接口數(shù),以保證NTC采集與電池?cái)?shù)可以達(dá)到1:1。
針對(duì)不同儲(chǔ)能市場(chǎng)的需求,我們的方案支持被動(dòng)和主動(dòng)兩種電池均衡方式。被動(dòng)均衡在4V電池電壓下,最大電流可達(dá)121mA;主動(dòng)均衡則提供boost和buck兩種模式,分別支持最大3A和1.42A的均衡電流。
數(shù)據(jù)存儲(chǔ)方面,方案內(nèi)置了128Mbit Flash,使用FAT文件系統(tǒng)以文本的形式存儲(chǔ)電池狀態(tài)和配置信息,這樣可以不需要專(zhuān)用的軟件操作,方便日志讀取和分析。
通信接口包括RS-485和CAN各一路,其中可利用RS-485通過(guò)MODBUS協(xié)議實(shí)現(xiàn)與上位機(jī)的交互,使用戶(hù)能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)控電池信息并根據(jù)具體場(chǎng)景設(shè)定系統(tǒng)參數(shù)。
此外,方案還提供了六路隔離的I/O和一個(gè)繼電器控制,以方便與其他系統(tǒng)或設(shè)備進(jìn)行交互。
圖1 功能框圖
方案特點(diǎn)
數(shù)據(jù)采集和輸入
兼容18V至75.2V(7~16節(jié)電池)的廣泛電池組電壓范圍;
電壓電流采樣周期<100ms,電流誤差<0.5%,電壓誤差<10mV;
支持溫度采集探頭與電池個(gè)數(shù)1比1;
電池均衡
支持被動(dòng)均衡,電池4V的情況下,最大均衡電流121mA;
主動(dòng)均衡支持boost和buck兩種方式,均衡電流分別最高可達(dá)3A和1.42A;
對(duì)外控制和通信
支持RS-485和CAN各一路,接口速率最高可達(dá)到1M;
支持使用MODBUS協(xié)議進(jìn)行通信,讀取電池電壓、溫度信息、設(shè)置閾值;
支持六路隔離(2出4進(jìn))的I/O和一路繼電器;
存儲(chǔ)
板載128Mbit Flash可供存儲(chǔ)數(shù)據(jù);
保護(hù)功能
支持電池組的過(guò)壓和欠壓保護(hù)(UVP/OVP)檢測(cè)與報(bào)警。
硬件設(shè)計(jì)
硬件采用分體設(shè)計(jì),由主控通信接口板、前端AFE采集板、主動(dòng)均衡板三種PCB板組成。可以根據(jù)需求進(jìn)行組合,實(shí)現(xiàn)主動(dòng)均衡和被動(dòng)均衡兩種方式。
1.主控通信接口板
主控通信接口板主要負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)處理和外圍芯片控制的任務(wù)。該板的核心是一個(gè)微控制單元(MCU),負(fù)責(zé)執(zhí)行方案中幾乎所有的數(shù)據(jù)處理和控制邏輯。除了基本的模擬前端(AFE)芯片控制接口,以及用于外部通信的RS-485和CAN接口外,該板還設(shè)計(jì)了六路光耦隔離的I/O接口和一路繼電器控制,確保了方案的靈活性。
此外,還預(yù)留了直連MCU引腳的接口,該接口包含六路可用于普通I/O輸入輸出的引腳,這些引腳同樣支持模擬信號(hào)的輸入采集。這樣的設(shè)計(jì)留出了充足的擴(kuò)展空間,為后續(xù)的開(kāi)發(fā)和使用提供了極大的便利。
圖2主控通信接口板
2.前端AFE采集板
前端AFE采集板以MP2796芯片為核心,主要負(fù)責(zé)執(zhí)行對(duì)電池的電壓和溫度等信息的采集任務(wù),以及實(shí)現(xiàn)電池組的被動(dòng)均衡。MP2796通過(guò)SPI總線與MCU通信。此外,它還配備了一個(gè)平衡開(kāi)關(guān)的輸出端。該輸出端由主控通信接口板上的MCU控制MP2796芯片來(lái)實(shí)現(xiàn)控制,旨在為主動(dòng)均衡板提供均衡控制信號(hào),從而實(shí)現(xiàn)電池管理方案中的主動(dòng)均衡功能。
圖3前端AFE采集板
3. 主動(dòng)均衡板
主動(dòng)均衡板主要由多個(gè)主動(dòng)均衡芯片MP2641組成。該板不具有對(duì)電池信息采集的能力,主要作用是接收AFE芯片和MCU的控制信號(hào),實(shí)現(xiàn)電池之間的能量轉(zhuǎn)移。
圖4主動(dòng)均衡板
4. 連接示意圖
可以根據(jù)不同需求將多塊PCB進(jìn)行連接組合,實(shí)現(xiàn)不同的效果。
如果需要實(shí)現(xiàn)被動(dòng)均衡,需要將電池組直接連接到前端AFE采集板的電池輸入端,然后連接對(duì)應(yīng)的NTC電阻,最后將MCU的控制信號(hào)與前端AFE采集板相連接即可。
圖5被動(dòng)均衡套件示意圖
如果需要實(shí)現(xiàn)主動(dòng)均衡,連接方式與被動(dòng)均衡差異不大,不同的是需要將主動(dòng)均衡板串聯(lián)到電池組和前端AFE采集板之間,同時(shí)將前端AFE采集板上的平衡開(kāi)關(guān)輸出和主控通信接口板上的主動(dòng)均衡控制輸出連接到主動(dòng)均衡板對(duì)應(yīng)接口即可。
圖6主動(dòng)均衡套件示意圖
上位機(jī)說(shuō)明
上位機(jī)負(fù)責(zé)提供電池信息數(shù)據(jù)的可視化和管理系統(tǒng)相關(guān)參數(shù)的設(shè)置。軟件通過(guò)表格形式能夠一次性顯示16個(gè)電池的信息,數(shù)據(jù)一覽無(wú)余,同時(shí)保持界面的清晰和簡(jiǎn)潔設(shè)計(jì)。此外,軟件支持自定義串口端口設(shè)置,并允許多實(shí)例運(yùn)行,這意味著用戶(hù)可以通過(guò)單一電腦同時(shí)連接多個(gè)獨(dú)立的下位機(jī),無(wú)需擔(dān)心端口沖突問(wèn)題。
圖7 上位機(jī)軟件界面圖
上位機(jī)特點(diǎn)
支持多實(shí)例運(yùn)行,可以一臺(tái)電腦控制多個(gè)下位機(jī);
可實(shí)時(shí)觀測(cè)到電池的電壓、溫度,電池組電壓的數(shù)值(自動(dòng)刷新率周期500ms,手動(dòng)刷新取決于手速);
可以實(shí)時(shí)觀測(cè)到電池電壓的異常狀況,比如:電池欠壓、超壓、電池不匹配,會(huì)以紅字特別提醒,一目了然;
在選擇手動(dòng)均衡模式下,可直接在表格上選擇要開(kāi)啟的開(kāi)關(guān),如同操作excel一樣便利;
可動(dòng)態(tài)設(shè)置電池保護(hù)閾值,實(shí)時(shí)修改,實(shí)時(shí)生效,實(shí)時(shí)更新。
審核編輯:劉清
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原文標(biāo)題:【解決方案】基于MP2796的ESS戶(hù)儲(chǔ)BMS方案
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