立功科技·求遠(yuǎn)電子推出的ESS戶儲(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，鋰電池在使用過程中容易發(fā)生過充或過放現(xiàn)象，這就需要一個(gè)綜合管理系統(tǒng)來對(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MODBUS協(xié)議實(shí)現(xiàn)與上位機(jī)的交互，使用戶能夠?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SPI總線與MCU通信。此外，它還配備了一個(gè)平衡開關(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，這意味著用戶可以通過單一電腦同時(shí)連接多個(gè)獨(dú)立的下位機(jī)，無需擔(dān)心端口沖突問題。

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啟的開關(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