詳析備用電池單元微控制器的功能和操作

自行車功率計(jì)是一種測(cè)量健身自行車騎行者功率輸出（以瓦為單位）的儀器，此類功率計(jì)作為訓(xùn)練輔助工具，可向騎行者提供有關(guān)其運(yùn)動(dòng)量的反饋信息。例如，騎行者可以設(shè)定在上坡期間保持至少200 W功率輸出的目標(biāo)。如果功率低于此值，騎行者可以通過(guò)加快踩踏板速度或換至更高檔位來(lái)增加功率。功率通常顯示在自行車車把上安裝的主控單元上。功率計(jì)與計(jì)算和顯示功率的設(shè)備之間必須有無(wú)線連接。為了測(cè)量功率，有必要測(cè)量施加到自行車傳動(dòng)系統(tǒng)某部分的機(jī)械應(yīng)變?；菟雇姌螂娐分羞B接的應(yīng)變片可用于測(cè)量機(jī)械應(yīng)變?；菟雇姌虍a(chǎn)生的信號(hào)通常非常小，頻率非常低。因此，需要通過(guò)具有零漂移輸入失調(diào)電壓的高精度放大器將信號(hào)放大。此外，功率計(jì)始終由電池供電，因此功率計(jì)的總電流消耗必須盡可能低。

每個(gè)BBU模塊均采用一個(gè)微控制器和一個(gè)電池管理系統(tǒng)(BMS)微控制器。在ADI公司的參考設(shè)計(jì)中，超低功耗Arm微控制器MAX32690充當(dāng)微控制器，負(fù)責(zé)執(zhí)行六個(gè)重要進(jìn)程（見(jiàn)圖1）。MAX32625微控制器充當(dāng)參考設(shè)計(jì)的BMS微控制器。BMS微控制器負(fù)責(zé)與ADBMS6948芯片通信，并將所有測(cè)量數(shù)據(jù)傳遞給微控制器。

圖1.主控制器的管理操作周期1

微控制器的六個(gè)進(jìn)程如下

執(zhí)行管理任務(wù)和通過(guò)I2C協(xié)議與各種外設(shè)進(jìn)行通信。

處理由背板電壓數(shù)據(jù)提供的放電序列。

選擇恒流模式或恒壓模式處理電池的充電工作。

轉(zhuǎn)變BBU模塊的充放電狀態(tài)。

故障處理和響應(yīng)。

作為Modbus從機(jī)響應(yīng)Modbus命令。

01微控制器進(jìn)程

執(zhí)行管理任務(wù)和通過(guò)I2C與各種外設(shè)通信

在眾多輔助器件連接到模塊電路的情況下，微控制器用作I2C主器件。核心微控制器收集并保存來(lái)自輔助器件的數(shù)據(jù)，同時(shí)充當(dāng)I2C主器件。為了推進(jìn)各種任務(wù)順利進(jìn)行，微控制器還負(fù)責(zé)控制各種I2C輔助器件。多款I(lǐng)2C輔助器件示例如下：

BMS微控制器采用MAX32625。

LTC2971,雙通道電源系統(tǒng)管理器。

MAX31760,精密風(fēng)扇速度控制器。

24AA512T/EEPROM，用作數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，可檢索和存儲(chǔ)重要數(shù)據(jù)。

LTC2991溫度傳感器。

BMS微控制器(MAX32625)

微控制器定期與BMS微控制器(MAX32625)通信，接收有關(guān)各個(gè)電池包的電芯電壓、充電狀態(tài)(SOC)、健康狀態(tài)(SOH)、電芯溫度以及電池包可能出現(xiàn)的任何故障的更新信息。更新每四分鐘進(jìn)行一次，因?yàn)殡娦倦妷骸OC、SOH和溫度預(yù)計(jì)不會(huì)快速變化。如果發(fā)生任何故障，兩個(gè)微控制器之間的共享引腳將置為高電平，并觸發(fā)微控制器上的中斷，進(jìn)而立即讀取BMS微控制器，獲取有關(guān)故障的信息。微控制器中有專用I2C端口，僅用于與BMS微控制器通信，以支持兩個(gè)微控制器之間快速通信。

LTC2971（電源管理IC）

微控制器時(shí)常通過(guò)電源管理總線(PMBUS)協(xié)議與LTC2971通信，檢查電壓、電流和溫度測(cè)量結(jié)果以及有無(wú)警告和故障。當(dāng)測(cè)量背板輸出電壓參數(shù)時(shí)，LTC2971起到快速反饋?zhàn)饔?，以便微控制器調(diào)整其例程。此外，該器件會(huì)調(diào)整電源變換器的反饋電壓，并允許其將輸出電壓下調(diào)1%，從而確保放電工作模式下輸出電壓處于調(diào)節(jié)范圍內(nèi)。

MAX31760（風(fēng)扇控制器）

MAX31760負(fù)責(zé)調(diào)節(jié)BBU模塊的風(fēng)扇速度。脈沖寬度調(diào)制的占空比由微控制器配置，以通過(guò)I2C調(diào)節(jié)風(fēng)扇的速度。微控制器根據(jù)溫度以及背板負(fù)載電流或電池包負(fù)載電流，計(jì)算并調(diào)整所需的風(fēng)扇速度

24AA512TT（EEPROM?數(shù)據(jù)存儲(chǔ)）

板載EEPROM充當(dāng)整個(gè)BBU模塊的外部存儲(chǔ)器件。微控制器通過(guò)I2C寫(xiě)入閃存頁(yè)，定期將電池電壓水平、SOC、SOH、電芯類型和型號(hào)年份以及電路板溫度等重要信息保存到EEPROM中。該數(shù)據(jù)每小時(shí)更新一次，用戶可以在維護(hù)和故障排除期間訪問(wèn)。

LTC2991（數(shù)字板載溫度監(jiān)測(cè)）

LTC2991是一款八通道電壓、電流和溫度傳感器。該器件借助放置在電池模組內(nèi)部重要位置的各種數(shù)字傳感器，監(jiān)測(cè)電池模塊的溫度。根據(jù)溫度讀數(shù)，微控制器可以調(diào)節(jié)風(fēng)扇速度，確保電源板和電池堆的工作溫度保持在適當(dāng)水平，并且始終低于40°C。

02選擇恒流模式或恒壓模式處理電池的充電

微控制器還負(fù)責(zé)處理電池的充電模式。開(kāi)始時(shí)，電芯的電壓容量非常低，微控制器允許以最大5A的電流為電芯充電。一旦電芯處于穩(wěn)定狀態(tài)，微控制器就會(huì)將充電電流調(diào)整為2A，此時(shí)每個(gè)電芯的電壓尚未達(dá)到4V。利用來(lái)自BMS微控制器的數(shù)據(jù)持續(xù)監(jiān)測(cè)電芯電壓，并使用模數(shù)轉(zhuǎn)換器外設(shè)測(cè)量整個(gè)電池層電壓，微控制器便可以判斷所有電芯是否都已達(dá)到4V，如達(dá)到4V，微控制器便會(huì)將充電模式切換為恒壓模式。這需要將充電電流限制為僅0.5A。微控制器將繼續(xù)監(jiān)測(cè)整個(gè)電池層電壓水平，同時(shí)從BMS微控制器獲取數(shù)據(jù)，檢查所有電池是否充滿電。如圖2所示。

圖2.恒流和恒壓充電算法

03電源變換器充放電狀態(tài)的轉(zhuǎn)變

充分了解BBU在電源中斷期間如何從待機(jī)模式轉(zhuǎn)變到電池供電模式至關(guān)重要。為了防止任何意外斷電和數(shù)據(jù)丟失，模塊的微控制器密切監(jiān)視背板電壓水平。LT8228的默認(rèn)充電模式設(shè)置在49V至53V左右，但如果微控制器檢測(cè)到背板電壓在2ms內(nèi)降至48.5V以下，則會(huì)立即將LT8228方向引腳從充電模式切換到放電模式，這種模式持續(xù)四分鐘以處理停電情況。這四分鐘里模塊將持續(xù)放電，以確保供電不間斷。如果電芯的條件允許且背板電壓供應(yīng)仍未恢復(fù)，模塊將再等待一分鐘，以便電芯冷卻，然后再次進(jìn)入放電模式。電源恢復(fù)后，BBU將切換回主電源，并開(kāi)始為電池充電。有關(guān)如何操作和維護(hù)BBU的具體說(shuō)明，請(qǐng)參考圖3了解此過(guò)程。

圖3.充放電模式轉(zhuǎn)換的處理操作

04故障處理和響應(yīng)

制定明確的故障處理計(jì)劃非常重要。為了避免產(chǎn)生壓力和得到不好的結(jié)果，提前發(fā)現(xiàn)潛在問(wèn)題并制定處理方案至關(guān)重要。如需確保系統(tǒng)操作順利運(yùn)行，了解即將發(fā)生的情況，那么與相關(guān)系統(tǒng)中集成的器件進(jìn)行順暢通信也是非常必要的。請(qǐng)記住，錯(cuò)誤和故障難以完全避免，而應(yīng)對(duì)方式才是決定結(jié)果的關(guān)鍵。因此，微控制器經(jīng)過(guò)專門(mén)設(shè)計(jì)，可減少OCP指定故障的誤報(bào)發(fā)生率。微控制器中的固件程序執(zhí)行算法檢查以檢測(cè)可能觸發(fā)故障的前兆現(xiàn)象。檢測(cè)到相關(guān)征兆后，算法將執(zhí)行驗(yàn)證檢查，只有在問(wèn)題連續(xù)發(fā)生或在設(shè)定的周期數(shù)內(nèi)發(fā)生時(shí)，才會(huì)確認(rèn)故障。這種做法非常明智，可以確保識(shí)別和解決真正的故障。

05作為Modbus從機(jī)響應(yīng)Modbus命令

Modbus功能代碼對(duì)于在Modbus網(wǎng)絡(luò)的器件之間建立通信至關(guān)重要。這些代碼確定器件之間發(fā)送的請(qǐng)求或響應(yīng)的類型，例如讀取或?qū)懭霐?shù)據(jù)。一些比較常見(jiàn)的Modbus功能代碼包括模塊指標(biāo)、模塊工作狀態(tài)、模塊寄存器地址和故障狀態(tài)。

Modbus命令的處理完全由微控制器控制。微控制器可以為OCP規(guī)范認(rèn)為必要的所有基本Modbus命令提供支持。這些命令有權(quán)更改模塊的設(shè)置，或提供有關(guān)電池SOC、運(yùn)行狀況、電芯電壓水平、充電和放電電流以及其他參數(shù)的重要信息。微控制器驗(yàn)證消息后，就會(huì)根據(jù)收到的命令做出響應(yīng)。

微控制器利用ADM2561和ADM30611收發(fā)器，通過(guò)UART協(xié)議處理來(lái)自各種外設(shè)的數(shù)據(jù)，并將其傳輸?shù)綑C(jī)架微控制器，如圖4所示。采用隔離型收發(fā)器的優(yōu)點(diǎn)在于，它不受系統(tǒng)級(jí)電磁干擾的影響，并且符合OCP制定的電磁兼容性(EMC)標(biāo)準(zhǔn)。此外，機(jī)架到PC的通信是通過(guò)ADM2561完成的，ADM2561通過(guò)DB9(D-Subminiature)連接器和RJ45互聯(lián)網(wǎng)端口連接到主機(jī)PC。

圖4.模塊到機(jī)架通信和機(jī)架到PC通信框圖

06總結(jié)

控制器架構(gòu)必須要滿足穩(wěn)健可靠、高效且適應(yīng)性強(qiáng)的要求，同時(shí)應(yīng)該具有明確定義的輸入和輸出，并可以處理復(fù)雜算法例程。該架構(gòu)應(yīng)該是模塊化的，以便支持無(wú)縫的算法更改和更新。此外還應(yīng)內(nèi)置有安全機(jī)制，以防范系統(tǒng)故障或事故，并能輕松處理意外事件?？偟膩?lái)說(shuō)，高質(zhì)量的控制器架構(gòu)應(yīng)提供可靠且高效的系統(tǒng)控制，同時(shí)可以降低錯(cuò)誤或故障發(fā)生的概率。

原文轉(zhuǎn)自亞德諾半導(dǎo)體