基于晶豐明源MCU和AFE的便攜式儲能48V BMS應(yīng)用方案
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方案描述
本文引用地址：http://www.antipu.com.cn/article/202505/470561.htm大聯(lián)大世平集團針對便攜式儲能的電池保護(hù)系統(tǒng)，推出基于晶豐明源(BPS)的MCU LKS32MC453 和 AFE BM81710H 的 48V 高邊 BMS 方案。NMOS 采用芯邁(Silicon Magic)的 SDN10N3P5B-AA。PMOS 采用華潤微（Crmicro）的 CRTM900P10LQ。方案還配備一個納芯微的氣體壓力傳感器 NSPGS2。此方案具有電芯電壓采集、電流采集、溫度采集、被動均衡、充放電控制、高邊開關(guān)、充放電同口等功能特點，支持：過壓/欠壓保護(hù)、高/低溫保護(hù)、斷路保護(hù)、過流保護(hù)等保護(hù)機制。
二、硬件設(shè)計說明
主控
BPS 的 LKS32MC453 MCU， 192MHz 32位CortexM4F 內(nèi)核，具有豐富的DSP指令，硬件浮點運算單元。內(nèi)置高達(dá)256KB的Flash存儲器，支持加密保護(hù)，最大40KB的SRAM。集成了高性能模擬器件、多種I/O端口和豐富的外設(shè)。內(nèi)置12MHz高精度RC時鐘和低速32kHz 低速時鐘，可外掛12~24MHz外部晶振，內(nèi)部PLL可提供最高 192MHz 主頻。
256KB Flash，40KB SRAMB。
包含 3路14Bit SAR ADC，2 Msps采樣及轉(zhuǎn)換速率。
包含 2路12bit DAC 數(shù)模轉(zhuǎn)換器。
3個通用16位Timer、2個通用32位Timer、1個24bit systick 定時器。
2 個 I2C 接口、2 個 SPI 接口、1路 CAN 接口和 3路 UART 接口
1路獨立DMA引擎, 共8個通道, 支持8、16、32bit傳輸
ADC自檢模塊，支持開路短路檢查
1個CRC模塊
AFE-BM81710H
BM81710H 是一款高集成高精度鋰電池監(jiān)控及全方位的安全保護(hù)芯片，且具有高邊NMOS 充放電管驅(qū)動控制，適用于10-17 串三元鋰或磷酸鐵鋰等多種電池包應(yīng)用。主要有以下功能特點：
支持 10~17 串電池；
輸入電壓：5V~95V；
電池電壓采集 ADC：14-bit/16-bitΔΣ ，精度：±5mV@2~4.25V/25℃；
4 路溫度檢測 ADC：14-bit/16-bitΔΣ ，精度：±1℃@-40℃~85℃；
母線電流采集 ADC：16-bit ΔΣ ，精度：±20uV@±5mV/25℃， ±50uV@±200mV/25℃， ±150uV@±200mV/(-40 ℃ ~85℃) ；
帶庫侖計， 精度：±5%uVh，范圍： ±291271uVh ；
支持充電、放電的高邊 NMOS 管控制；
支持預(yù)充電、預(yù)放電的高邊 PMOS 管控制；
通過 400kHz I2C 總線與 MCU 通訊，CRC-8 校驗；
支持過流保護(hù)、過壓/欠壓保護(hù)、短路保護(hù)、高/低溫度保護(hù)；
支持?jǐn)嗑€檢測、負(fù)載和充電器接入檢測；
支持 0V 禁充保護(hù)；
支持被動的硬件自主控制均衡和軟件控制均衡；
支持外部 ECTRL 管腳控制放電管；
支持電子鎖；
耗電參數(shù)：130uA @full power mode/25℃ ，
60uA @Normal sleep mode/25℃，
10uA @deep sleep mode/25℃ ，1uA @shunt down mode/25℃ ；
工作環(huán)境溫度：-40~125℃
封裝：LQFP-48。
N-MOSFET
充放電開關(guān)控制部分，方案的開關(guān)管 N-MOSFET 采用芯邁的 SDN10N3P5B-AA 來做充電、放電控制開關(guān)。該 MOS 管的漏源電壓（VDS）能夠達(dá)到 100V，其連續(xù)漏電流（ID）可達(dá) 120A@25℃，113A@100℃。當(dāng) VGS = 10V 時，RDS(on) 的最大值為 3.5mΩ。體二極管正向壓降為 0.9V 左右。
P-MOSFET
預(yù)充放電開關(guān)控制部分，方案的開關(guān)管 P-MOSFET 采用華潤微的 CRTM900P10LQ 來做預(yù)充電、預(yù)放電控制開關(guān)。該 MOS 管的漏源電壓（VDS）能夠達(dá)到 -100V，其連續(xù)漏電流（ID）可達(dá) -17A@25℃，-12A@100℃。當(dāng) VGS = 10V 時，RDS(on) 的典型值為 74mΩ 。體二極管正向壓降為 0.9V 左右。
DC-DC
DC-DC 部分，方案采用杰華特的 JWH5140F 來對 BAT+ 的電壓進(jìn)行降壓處理，使 DC-DC 輸出 6V 。JWH5140F 的特點如下：
工作輸入范圍為 6V 至 100V。
擁有6A 輸出電流，且內(nèi)部具備軟啟動功能。
可調(diào)節(jié)開關(guān)頻率。
在輕載下的強制連續(xù)導(dǎo)通模式（FCCM）。
支持短路保護(hù)。
支持高溫保護(hù)。
封裝：DFN4X-4-8。
LDO
LDO 部分，方案采用杰華特的 JW7806 來對 DC-DC 的輸出電壓進(jìn)行再一步的降壓處理使 LDO 輸出 3.3V 。JW7806 的特點如下：
輸入電壓范圍：2V-5.5V。
輸出電壓范圍：2V-4.5V。
輸出電壓精度：±2%。
輸出電流：300mA。
低壓差：120mV（典型值）。
電源抑制比（PSRR）：82dB@1kHz。
無需噪聲旁路電容器。
低輸出電壓噪聲：12 uVRMS。
限流保護(hù)。
過溫保護(hù)。
工作溫度范圍：-40℃-125℃。
封裝：SOT23-5。
NSPGS2
壓力檢測部分，方案采用納芯微的 NSPGS2 ,NSPGS2系列設(shè)計用于操作壓力范圍為-100kPa至350kPa，其特點如下：
0°C 至 60°C 范圍內(nèi)優(yōu)于 ±1.5%（模擬）。
-40°C 至 70°C 范圍內(nèi)優(yōu)于 ±2.5%（模擬）。
0°C 至 60°C 范圍內(nèi)優(yōu)于 ±1%（數(shù)字）。
-40°C 至 70°C 范圍內(nèi)優(yōu)于 ±2%（數(shù)字）。
溫度范圍：-40°C ~70°C。
比率/絕對模擬輸出。
24 位 I2C。
帶空氣噴嘴的 SOP 封裝，易于組裝。
三、方案原理圖
1.MCU
2.壓力檢測
3.BM81710H
4.電源
5.充放電控制
6.均衡電路
PCB Layout：
TOP Layer：
BOTTOM Layer：
四、軟件設(shè)計說明
PES-BMS 方案的軟件架構(gòu)如下圖所示，包含驅(qū)動層、中間層和應(yīng)用層。
驅(qū)動層：是 MCU 的底層驅(qū)動，直接與硬件交互，控制和管理 MCU 的硬件資源。主要負(fù)責(zé)初始化、配置和管理硬件資源。PES-BMS 方案涉及到的外設(shè)包括：GPIO、SPI、UART、TIMER、ADC、FLASH、IWDG、AON 等。
中間層：在 MCU 軟件架構(gòu)中扮演著重要的角色，它為上層應(yīng)用提供必要的服務(wù)和功能接口，處理應(yīng)用程序與硬件之間的通信?。同時隔離系統(tǒng)軟件與底層硬件的直接交互，從而簡化了硬件的復(fù)雜性?。包括AFE 和 BM81710H 驅(qū)動、TIMER 中斷處理、Flash 的存取、LED 的開關(guān)、與 PD 面板通訊相關(guān)的串口處理等等。
應(yīng)用層：包括對 AFE 的管理和控制、充放電控制、電池異常狀態(tài)的處理、SOC/SOH、用戶界面（PD Panel）相關(guān)通訊協(xié)議、低功耗管理等等，確保系統(tǒng)與 PES-BMS 應(yīng)用相關(guān)的功能正常運行。
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