基于晶丰明源MCU和AFE的便携式储能48V BMS应用方案

方案描述

      大联大世平集团针对便携式储能的电池保护系统，推出基于晶丰明源(BPS)的MCU LKS32MC453 和 AFE BM81710H 的 48V 高边 BMS 方案。NMOS 采用芯迈(Silicon Magic)的 SDN10N3P5B-AA。PMOS 采用华润微（Crmicro）的 CRTM900P10LQ。方案还配备一个纳芯微的气体压力传感器 NSPGS2。此方案具有电芯电压采集、电流采集、温度采集、被动均衡、充放电控制、高边开关、充放电同口等功能特点，支持：过压/欠压保护、高/低温保护、断路保护、过流保护等保护机制。

二、硬件设计说明

1. 主控

       BPS 的 LKS32MC453 MCU， 192MHz 32位CortexM4F 内核，具有丰富的DSP指令，硬件浮点运算单元。内置高达256KB的Flash存储器，支持加密保护，最大40KB的SRAM。集成了高性能模拟器件、多种I/O端口和丰富的外设。内置12MHz高精度RC时钟和低速32kHz 低速时钟，可外挂12~24MHz外部晶振，内部PLL可提供最高 192MHz 主频。

• 256KB Flash，40KB SRAMB。

• 包含 3路14Bit SAR ADC，2 Msps采样及转换速率。

• 包含 2路12bit DAC 数模转换器。

• 3个通用16位Timer、2个通用32位Timer、1个24bit systick 定时器。

• 2 个 I2C 接口、2 个 SPI 接口、1路 CAN 接口和 3路 UART 接口

• 1路独立DMA引擎, 共8个通道, 支持8、16、32bit传输

• ADC自检模块，支持开路短路检查

• 1个CRC模块

1. AFE-BM81710H

 BM81710H 是一款高集成高精度锂电池监控及全方位的安全保护芯片，且具有高边NMOS 充放电管驱动控制，适用于10-17 串三元锂或磷酸铁锂等多种电池包应用。主要有以下功能特点：

• 支持 10~17 串电池；

• 输入电压：5V~95V；

• 电池电压采集 ADC：14-bit/16-bitΔΣ ，精度：±5mV@2~4.25V/25℃；

• 4 路温度检测 ADC：14-bit/16-bitΔΣ ，精度：±1℃@-40℃~85℃；

• 母线电流采集 ADC：16-bit ΔΣ ，精度：±20uV@±5mV/25℃， ±50uV@±200mV/25℃， ±150uV@±200mV/(-40 ℃ ~85℃) ；

• 带库仑计， 精度：±5%uVh，范围： ±291271uVh ；

• 支持充电、放电的高边 NMOS 管控制；

• 支持预充电、预放电的高边 PMOS 管控制；

• 通过 400kHz I2C 总线与 MCU 通讯，CRC-8 校验；

• 支持过流保护、过压/欠压保护、短路保护、高/低温度保护；

• 支持断线检测、负载和充电器接入检测；

• 支持 0V 禁充保护；

• 支持被动的硬件自主控制均衡和软件控制均衡；

• 支持外部 ECTRL 管脚控制放电管；

• 支持电子锁；

• 耗电参数：130uA @full power mode/25℃ ，

• 60uA @Normal sleep mode/25℃，

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

• 工作环境温度：-40~125℃

• 封装：LQFP-48。

1. N-MOSFET

     充放电开关控制部分，方案的开关管 N-MOSFET 采用芯迈的 SDN10N3P5B-AA 来做充电、放电控制开关。该 MOS 管的漏源电压（V_DS）能够达到 100V，其连续漏电流（I_D）可达 120A@25℃，113A@100℃。当 V_GS = 10V 时，R_DS(on) 的最大值为 3.5mΩ。体二极管正向压降为 0.9V 左右。

1. P-MOSFET

      预充放电开关控制部分，方案的开关管 P-MOSFET 采用华润微的 CRTM900P10LQ 来做预充电、预放电控制开关。该 MOS 管的漏源电压（V_DS）能够达到 -100V，其连续漏电流（I_D）可达 -17A@25℃，-12A@100℃。当 V_GS = 10V 时，R_DS(on) 的典型值为 74mΩ 。体二极管正向压降为 0.9V 左右。

1. DC-DC

DC-DC 部分，方案采用杰华特的 JWH5140F 来对 BAT+ 的电压进行降压处理，使 DC-DC 输出 6V 。JWH5140F 的特点如下：

• 工作输入范围为 6V 至 100V。

• 拥有6A 输出电流，且内部具备软启动功能。

• 可调节开关频率。

• 在轻载下的强制连续导通模式（FCCM）。

• 支持短路保护。

• 支持高温保护。

• 封装：DFN4X-4-8。

1. LDO

LDO 部分，方案采用杰华特的 JW7806 来对 DC-DC 的输出电压进行再一步的降压处理使 LDO 输出 3.3V 。JW7806 的特点如下：

• 输入电压范围：2V-5.5V。

• 输出电压范围：2V-4.5V。

• 输出电压精度：±2%。

• 输出电流：300mA。

• 低压差：120mV（典型值）。

• 电源抑制比（PSRR）：82dB@1kHz。

• 无需噪声旁路电容器。

• 低输出电压噪声：12 uVRMS。

• 限流保护。

• 过温保护。

• 工作温度范围：-40℃-125℃。

• 封装：SOT23-5。

1. NSPGS2

压力检测部分，方案采用纳芯微的 NSPGS2 ,NSPGS2系列设计用于操作压力范围为-100kPa至350kPa，其特点如下：

• 0°C 至 60°C 范围内优于 ±1.5%（模拟）。

• -40°C 至 70°C 范围内优于 ±2.5%（模拟）。

• 0°C 至 60°C 范围内优于 ±1%（数字）。

• -40°C 至 70°C 范围内优于 ±2%（数字）。

• 温度范围：-40°C ~70°C。

• 比率/绝对模拟输出。

• 24 位 I2C。

• 带空气喷嘴的 SOP 封装，易于组装。

三、方案原理图

1.MCU

2.压力检测

3.BM81710H

4.电源

5.充放电控制

6.均衡电路

PCB Layout：
TOP Layer：

BOTTOM Layer：

四、软件设计说明

PES-BMS 方案的软件架构如下图所示，包含驱动层、中间层和应用层。

        驱动层：是 MCU 的底层驱动，直接与硬件交互，控制和管理 MCU 的硬件资源。主要负责初始化、配置和管理硬件资源。PES-BMS 方案涉及到的外设包括：GPIO、SPI、UART、TIMER、ADC、FLASH、IWDG、AON 等。

       中间层：在 MCU 软件架构中扮演着重要的角色，它为上层应用提供必要的服务和功能接口，处理应用程序与硬件之间的通信‌。同时隔离系统软件与底层硬件的直接交互，从而简化了硬件的复杂性‌。包括AFE 和 BM81710H 驱动、TIMER 中断处理、Flash 的存取、LED 的开关、与 PD 面板通讯相关的串口处理等等。

应用层：包括对 AFE 的管理和控制、充放电控制、电池异常状态的处理、SOC/SOH、用户界面（PD Panel）相关通讯协议、低功耗管理等等，确保系统与 PES-BMS 应用相关的功能正常运行。