基于晶豐明源MCU和AFE的便攜式儲能48V BMS應用方案

方案描述

      大聯大世平集團針對便攜式儲能的電池保護系統，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、充放電同口等功能特點，支持：過壓/欠壓保護、高/低溫保護、斷路保護、過流保護等保護機制。

二、硬件設計說明

1. 主控

       BPS 的 LKS32MC453 MCU， 192MHz 32位CortexM4F 內核，具有豐富的DSP指令，硬件浮點運算單元。內置高達256KB的Flash存儲器，支持加密保護，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。內置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采樣及轉換速率。

• 包含 2路12bit DAC 數模轉換器。

• 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

1. AFE-BM81710H

 BM81710H 是一款高集成高精度鋰電池監控及全方位的安全保護芯片，且具有高邊NMOS 充放電管驅動控制，適用于10-17 串三元鋰或磷酸鐵鋰等多種電池包應用。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；

• 支持預充電、預放電的高邊 PMOS 管控制；

• 通過 400kHz I2C 總線與 MCU 通訊，CRC-8 校驗；

• 支持過流保護、過壓/欠壓保護、短路保護、高/低溫度保護；

• 支持斷線檢測、負載和充電器接入檢測；

• 支持 0V 禁充保護；

• 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：130uA @full power mode/25℃ ，

• 60uA @Normal sleep mode/25℃，

• 10uA @deep sleep mode/25℃ ，1uA @shunt down mode/25℃ ；

• 工作環境溫度：-40~125℃

• 封裝：LQFP-48。

1. N-MOSFET

     充放電開關控制部分，方案的開關管 N-MOSFET 采用芯邁的 SDN10N3P5B-AA 來做充電、放電控制開關。該 MOS 管的漏源電壓（V_DS）能夠達到 100V，其連續漏電流（I_D）可達 120A@25℃，113A@100℃。當 V_GS = 10V 時，R_DS(on) 的最大值為 3.5mΩ。體二極管正向壓降為 0.9V 左右。

1. P-MOSFET

      預充放電開關控制部分，方案的開關管 P-MOSFET 采用華潤微的 CRTM900P10LQ 來做預充電、預放電控制開關。該 MOS 管的漏源電壓（V_DS）能夠達到 -100V，其連續漏電流（I_D）可達 -17A@25℃，-12A@100℃。當 V_GS = 10V 時，R_DS(on) 的典型值為 74mΩ 。體二極管正向壓降為 0.9V 左右。

1. DC-DC

DC-DC 部分，方案采用杰華特的 JWH5140F 來對 BAT+ 的電壓進行降壓處理，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，且內部具備軟啟動功能。

• 可調節開關頻率。

• 在輕載下的強制連續導通模式（FCCM）。

• 支持短路保護。

• 支持高溫保護。

• 封裝：DFN4X-4-8。

1. LDO

LDO 部分，方案采用杰華特的 JW7806 來對 DC-DC 的輸出電壓進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。

• 過溫保護。

• 工作溫度范圍：-40℃-125℃。

• 封裝：SOT23-5。

1. NSPGS2

壓力檢測部分，方案采用納芯微的 NSPGS2 ,NSPGS2系列設計用于操作壓力范圍為-100kPa至350kPa，其特點如下：

• 0°C 至 60°C 范圍內優于 ±1.5%（模擬）。

• -40°C 至 70°C 范圍內優于 ±2.5%（模擬）。

• 0°C 至 60°C 范圍內優于 ±1%（數字）。

• -40°C 至 70°C 范圍內優于 ±2%（數字）。

• 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、軟件設計說明

PES-BMS 方案的軟件架構如下圖所示，包含驅動層、中間層和應用層。

        驅動層：是 MCU 的底層驅動，直接與硬件交互，控制和管理 MCU 的硬件資源。主要負責初始化、配置和管理硬件資源。PES-BMS 方案涉及到的外設包括：GPIO、SPI、UART、TIMER、ADC、FLASH、IWDG、AON 等。

       中間層：在 MCU 軟件架構中扮演著重要的角色，它為上層應用提供必要的服務和功能接口，處理應用程序與硬件之間的通信?。同時隔離系統軟件與底層硬件的直接交互，從而簡化了硬件的復雜性?。包括AFE 和 BM81710H 驅動、TIMER 中斷處理、Flash 的存取、LED 的開關、與 PD 面板通訊相關的串口處理等等。

應用層：包括對 AFE 的管理和控制、充放電控制、電池異常狀態的處理、SOC/SOH、用戶界面（PD Panel）相關通訊協議、低功耗管理等等，確保系統與 PES-BMS 應用相關的功能正常運行。