參考設(shè)計 | 16芯串聯(lián)電池包儲能系統(tǒng)

電池包的應(yīng)用與技術(shù)問題

為了獲得更大的能量密度，鋰離子和磷酸鐵鋰電池在電池包中的使用越來越多，比如：電信機房的UPS單元，移動式電站，儲能系統(tǒng)等。

鋰離子和磷酸鐵鋰電池在提供更高的功率和能量密度的同時也需要更準確和復(fù)雜的監(jiān)測和保護。比如：欠壓保護 (CUV)、電芯過壓 (COV)、過熱 (OT)、 充電過流 (OCC) 和放電過流 (OCD)、 短路放電 (SCD)。這些方面出現(xiàn)輕則會加速電池退化，嚴重的可能導(dǎo)致熱失控和爆炸。

系統(tǒng)需要良好的測量精度來知道電芯電壓、電池包電流和電芯溫度，以實現(xiàn)準確的保護以及電池包充電狀態(tài) (SoC) 和電池運行狀況 (SoH) 計算。同時還需要在運輸模式和待機模式下，保持更低的待機功耗，以保證長時間存儲的情況下，電池不會過放電。

電池包儲能系統(tǒng)的設(shè)計

設(shè)計使用 BQ76952 作為電池監(jiān)控器和保護器，用于監(jiān)控每個電芯的電壓、溫度和電池包電流。

MOS管驅(qū)動器UCC27524支持5A灌電流和拉電流，能夠驅(qū)動更多MOSFET 以支持更大的電池容量。五對N溝道MOSFET位于電池負極中，作為控制充電和放電過程的開關(guān)。防止出現(xiàn)電芯過壓、電芯欠壓、過熱、充電和放電過流以及短路放電等情況。

設(shè)計使用低功耗MCU,MSP430FR2155支持隔離式 RS-485 通信，以傳輸電池包數(shù)據(jù)和接收命令，保留隔離式 CAN 收發(fā)器來測試輔助電源性能。

設(shè)計使用100V輸入、0.5A、超低IQ同步降壓直流/直流轉(zhuǎn)換器LM5163來降低電池電壓，從而為MOSFET 驅(qū)動器供電。Fly-Buck轉(zhuǎn)換器TPS54308用于生成非隔離式 3.3V電源為MSU供電，隔離式5V電源為隔離式通信收發(fā)器供電。低IQ LDO TPS7A24 可使隔離式輸出電壓保持穩(wěn)定。使用具有正溫度系數(shù)和0603封裝 TMP61 的 ±1%、10kΩ 線性熱敏電阻通過MCU ADC來監(jiān)測 MOSFET 溫度。

輔助電源架構(gòu)可實現(xiàn)非常低的功耗，運輸模式 (10μA) 和待機模式 (100μA) 。

系統(tǒng)框圖

輔助電源的設(shè)計

為了保證在待機模式和運輸模式下的低功耗，及正常工作時設(shè)備的良好熱性能，需要針對輔助電源針對性做低功耗策略設(shè)計。

輔助電源架構(gòu)

待機模式下降低功耗：通過EN引腳禁用LM5163，可實現(xiàn)TPS54308、UCC27524、UCC27517 掉電節(jié)能。BQ76952通過穩(wěn)壓器輸出3.3V電壓，為處于低功耗模式的MCU供電。在待機模式下如需要快速放電，LM5163仍可為UCC27524和UCC27517提供12V供電，MOSFET導(dǎo)通以實現(xiàn)快速響應(yīng)放電。此時仍可通過EN引腳關(guān)閉TPS54308，關(guān)閉隔離通信功能，降低功耗。

運輸模式下降低功耗：當(dāng)系統(tǒng)遇到嚴重的電芯欠壓情況且必須進入運輸模式時，MCU將配置BQ76952進入關(guān)斷模式，并通過EN引腳禁用LM5163 輸出。系統(tǒng)將進入超低電流消耗模式。設(shè)計支持充電器連接喚醒功能，連接充電器后BQ76952會喚醒并啟用正常的5V穩(wěn)壓器輸出，MCU上電并通過EN引腳啟用LM5163，整個系統(tǒng)回到正常模式。

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