BMS 方案使用 ST MCU 与 MPS AFE

储能设备是指透过储能系统将所生产的电储存起来再利用的一种装置,可在离峰时段储电,于尖峰时段输出能量,透过有效输配电的方式减缓电网波动,补足用电缺口。不只政府可使用储能设备,民间也可设置光电储能设备,称为用户端储能,将用不到的电存起来再卖给台电。

此外,不只季节因素会影响发电量与电力供给,再生能源的电力配置若没有经过良好的构思与预备方案,也会造成无预警的停电。想要将重心移往再生能源,需建置足够的储能设备以符合再生能源输供电需求,才能避免停电的状况发生。
而电池供电的应用已变得司空见惯,此类装置需要一定程度的保护以确保安全使用。我们可以用电池管理系统(BMS)监控电池和可能的故障情况,防止电池出现性能下降、容量衰减甚至可能损害使用者或周围环境的情况。BMS还负责提供准确的充电状态(SoC)和健康状态(SoH)估计,以确保在电池的整个生命周期提供资讯丰富且安全的使用者体验。完整BMS的主要结构,通常由三个IC组成:类比前端(AFE)、微控制器(MCU)和电量计。电量计可以是独立的IC,也可以嵌入在MCU中。MCU是BMS的核心元件,在与系统其馀部分连接的同时从AFE和电量计获取资讯。

此次采用意法半导体STM32G431的具有高速运算的功能及丰富的通讯界面,备基于高性能Arm®Cortex®-M4 32位RISC内核。它们的工作频率高达170MHz。Cortex-M4内核具有单精确度浮点单元(FPU),支援所有Arm单精确度资料处理指令和所有资料类型。128KB flash 和32KB SRAM它们提供两个快速12位ADC(5 MSP)、四个比较器、三个运算放大器、四个DAC通道(两个外部和两个内部)、一个内部电压基准缓冲器、一个低功耗RTC、一个通用32位计时器、两个专用于电机控制的16位PWM计时器、七个通用16位计时器和一个16位低功耗计时器。

本方案以STM32G431为控制MCU, 并提供Firmware package下为FSM


AFE 则采用 MPS2797, MP2797 是一款可靠的电池管理器件,提供完整的模拟前端(AFE)监控和保护解决方案。设计用于多节串联电池管理系统(BMS)。该器件支援 I2C 或 SPI 通信。它支援连接 7 节至 16 节串联电池组,特定引脚上的绝对电压超过 80V。MP2797 集成了两个独立的模数变换器(ADC)。第一个 ADC 通过外部 NTC 热敏电阻测量每个通道的差分电池电压(最多 16 个通道)、芯片温度和 4 通道温度。第二个 ADC 通过外部电流采样电阻测量充电/放电电流。该器件具有高端驱动器和可靠的保护功能,包括过流保护(OCP)、短路保护(SCP)、电池欠压保护(UVP)、电池过压保护(OVP)和低温/高温保护。所有保护都有可配置阈值。MP2797 内置的自主状态机通过 ADC 监测资料,来确保电池工作在配置的阈值范围内(安全工作区)。它不仅内置了被动均衡 FET,还可以驱动外部均衡 FET。它可以根据不同的工作模式来优化基础电流消耗。针对需要满足 IPC 2221B 或 UL 60950-1 标准的应用,在超过一定的电池包电压等级时,需要增加防护涂层。MP2797 采用 TQFP-48(7mmx7mm)封装。

MP2797集成了两个独立的模数变换器(ADC),可以分别对电池电压(V)、充/放电电流(I)以及芯片温度(T)进行高精度监测。同时,MP2797的每个电芯(Cell)都具有电压电流(VI)同步功能,搭配MPS电压电流混合算法的电量计芯片MPF4279x使用,能协助客户抓取电池特征资料,并基于此建立精准的电池模型,从而准确地预估储能电池的剩馀电量(SOC)和健康状态(SOH)。

测试结果

►场景应用图

永丰银行

►产品实体图

►展示板照片

►方案方块图

►核心技术优势

1.以 STM32 为核心丰富的界面及可靠稳定的运算, 2.支援 7 节至 16 节堆叠式电池 3.I2C 或 SPI 界面,支援 8 位回圈冗馀校验(CRC) 1.模拟前端(AFE)监控器: 2.两个独立的 ADC 提供与电流严格同步的电池和封装电压 3.15 位 ADC,25°C 时总电池测量误差 ≤5mV 4.16 位 ADC,在 25°C 时通过 SRP-SRN 提供 ±5%(封装电流和库伦计数)测量误差 1.硬体可程式设计保护: 2.充电/放电过流保护(OCP) 3.充电/放电短路保护(SCP) 4.电池欠压保护(UVP)和过压保护(OVP) 5.封装欠压保护(UVP)和过压保护(OVP) 6.电池低温/高温保护 7.芯片高温保护 1.集成上管 FET(HS-FET)驱动器: 2.能够驱动 4 个以上并联 N 通道 MOSFET 3无需预偏置电路可实现 DSG 软启动 4.GPIO 或寄存器控制 FET 5.自动或手动电池平衡 专用功能: 1.低电流待机模式 2,.负载/充电器插入检测 3.高压和低压 GPIO 4.开路检测 5.电池持续失效标记 6.用于保护阈值的可锁定 MTP 7.支援随机电池连接

►方案规格

电池 Lithium-ion #1) 10S1P (LiFePO4 Battery, 磷酸铁锂): 36V #2) 12S1P (LiFePO4 Battery, 磷酸铁锂): 40V #3) 13S1P (SDI's Battery 21700-50E): 48V #4) 16S1P (SDI's Battery 21700-50E): 60V 最大电池电压 80V 最大充电电流 50A 最大放电电流 100A 电池组芯数数量 10,12,13或16 平衡电芯电流 每电芯700A 通讯界面 支援 CAN bus and RS-485 温度监测范围 -40˚C to 85˚C 具有短路保护 极性反接保护功能 方案大小 126mm x 99mm x 15mm

技术文档

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