立功科技·求遠(yuǎn)電子推出的ESS戶儲BMS方案，基于MPS的MP2796電池管理芯片設(shè)計，支持7~16節(jié)電池管理，支持主動均衡和被動均衡。

因?yàn)楫?dāng)前鋰電池單體的容量限制，為了滿足家庭儲能系統(tǒng)對容量和電壓的需求，必須將多個鋰電池單體串聯(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，這就需要一個綜合管理系統(tǒng)來對電池的電壓、電流、溫度等關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行實(shí)時監(jiān)測、處理及數(shù)據(jù)存儲和報告。本解決方案旨在針對上述挑戰(zhàn)提供專業(yè)的解決策略。

方案設(shè)計

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，可以滿足對通訊接口及其他控制的需求。

根據(jù)規(guī)范要求，每片MP2796會搭配模擬開關(guān)擴(kuò)展NTC采集接口數(shù)，以保證NTC采集與電池數(shù)可以達(dá)到1:1。

針對不同儲能市場的需求，我們的方案支持被動和主動兩種電池均衡方式。被動均衡在4V電池電壓下，最大電流可達(dá)121mA；主動均衡則提供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監(jiān)控電池信息并根據(jù)具體場景設(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數(shù)1比1；

電池均衡

支持被動均衡，電池4V的情況下，最大均衡電流121mA；

主動均衡支持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

板載128Mbit Flash可供存儲數(shù)據(jù)；

保護(hù)功能

支持電池組的過壓和欠壓保護(hù)(UVP/OVP)檢測與報警。

硬件設(shè)計

硬件采用分體設(shè)計，由主控通信接口板、前端AFE采集板、主動均衡板三種PCB板組成?？梢愿鶕?jù)需求進(jìn)行組合，實(shí)現(xiàn)主動均衡和被動均衡兩種方式。

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的輸入采集。這樣的設(shè)計留出了充足的擴(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)電池組的被動均衡。MP2796通過SPI總線與MCU通信。此外，它還配備了一個平衡開關(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，旨在為主動均衡板提供均衡控制信號，從而實(shí)現(xiàn)電池管理方案中的主動均衡功能。

圖3前端AFE采集板

3. 主動均衡板

主動均衡板主要由多個主動均衡芯片MP2641組成。該板不具有對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，實(shí)現(xiàn)電池之間的能量轉(zhuǎn)移。

圖4主動均衡板

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，然后連接對應(yīng)的NTC電阻，最后將MCU的控制信號與前端AFE采集板相連接即可。

圖5被動均衡套件示意圖

如果需要實(shí)現(xiàn)主動均衡，連接方式與被動均衡差異不大，不同的是需要將主動均衡板串聯(lián)到電池組和前端AFE采集板之間，同時將前端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均衡控制輸出連接到主動均衡板對應(yīng)接口即可。

圖6主動均衡套件示意圖

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個電池的信息，數(shù)據(jù)一覽無余，同時保持界面的清晰和簡潔設(shè)計。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連接多個獨(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，可以一臺電腦控制多個下位機(jī)；

可實(shí)時觀測到電池的電壓、溫度，電池組電壓的數(shù)值（自動刷新率周期500ms，手動刷新取決于手速）；

可以實(shí)時觀測到電池電壓的異常狀況，比如：電池欠壓、超壓、電池不匹配，會以紅字特別提醒，一目了然；

在選擇手動均衡模式下，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；

可動態(tài)設(shè)置電池保護(hù)閾值，實(shí)時修改，實(shí)時生效，實(shí)時更新。

審核編輯：劉清