BMS 方案使用 ST MCU 與 MPS AFE

儲能設備是指透過儲能系統將所生產的電儲存起來再利用的一種裝置,可在離峰時段儲電,於尖峰時段輸出能量,透過有效輸配電的方式減緩電網波動,補足用電缺口。不只政府可使用儲能設備,民間也可設置光電儲能設備,稱為用戶端儲能,將用不到的電存起來再賣給台電。

此外,不只季節因素會影響發電量與電力供給,再生能源的電力配置若沒有經過良好的構思與預備方案,也會造成無預警的停電。想要將重心移往再生能源,需建置足夠的儲能設備以符合再生能源輸供電需求,才能避免停電的狀況發生。
而電池供電的應用已變得司空見慣,此類裝置需要一定程度的保護以確保安全使用。我們可以用電池管理系統(BMS)監控電池和可能的故障情況,防止電池出現性能下降、容量衰減甚至可能損害使用者或周圍環境的情況。BMS還負責提供準確的充電狀態(SoC)和健康狀態(SoH)估計,以確保在電池的整個生命週期提供資訊豐富且安全的使用者體驗。完整BMS的主要結構,通常由三個IC組成:類比前端(AFE)、微控制器(MCU)和電量計。電量計可以是獨立的IC,也可以嵌入在MCU中。MCU是BMS的核心元件,在與系統其餘部份連接的同時從AFE和電量計獲取資訊。

此次採用意法半導體STM32G431的具有高速運算的功能及豐富的通訊介面,備基於高性能Arm®Cortex®-M4 32位RISC內核。它們的工作頻率高達170MHz。Cortex-M4內核具有單精確度浮點單元(FPU),支援所有Arm單精確度資料處理指令和所有資料類型。128KB flash 和32KB SRAM它們提供兩個快速12位ADC(5 MSP)、四個比較器、三個運算放大器、四個DAC通道(兩個外部和兩個內部)、一個內部電壓基準緩衝器、一個低功耗RTC、一個通用32位計時器、兩個專用於電機控制的16位PWM計時器、七個通用16位計時器和一個16位低功耗計時器。

本方案以STM32G431為控制MCU, 並提供Firmware package下為FSM


AFE 則採用 MPS2797, MP2797 是一款可靠的電池管理器件,提供完整的模擬前端(AFE)監控和保護解決方案。設計用於多節串聯電池管理系統(BMS)。該器件支援 I2C 或 SPI 通信。它支援連接 7 節至 16 節串聯電池組,特定引腳上的絕對電壓超過 80V。MP2797 集成了兩個獨立的模數變換器(ADC)。第一個 ADC 通過外部 NTC 熱敏電阻測量每個通道的差分電池電壓(最多 16 個通道)、晶片溫度和 4 通道溫度。第二個 ADC 通過外部電流採樣電阻測量充電/放電電流。該器件具有高端驅動器和可靠的保護功能,包括過流保護(OCP)、短路保護(SCP)、電池欠壓保護(UVP)、電池過壓保護(OVP)和低溫/高溫保護。所有保護都有可配置閾值。MP2797 內置的自主狀態機通過 ADC 監測資料,來確保電池工作在配置的閾值範圍內(安全工作區)。它不僅內置了被動均衡 FET,還可以驅動外部均衡 FET。它可以根據不同的工作模式來優化基礎電流消耗。針對需要滿足 IPC 2221B 或 UL 60950-1 標準的應用,在超過一定的電池包電壓等級時,需要增加防護塗層。MP2797 採用 TQFP-48(7mmx7mm)封裝。

MP2797集成了兩個獨立的模數變換器(ADC),可以分別對電池電壓(V)、充/放電電流(I)以及晶片溫度(T)進行高精度監測。同時,MP2797的每個電芯(Cell)都具有電壓電流(VI)同步功能,搭配MPS電壓電流混合演算法的電量計晶片MPF4279x使用,能協助客戶抓取電池特徵資料,並基於此建立精准的電池模型,從而準確地預估儲能電池的剩餘電量(SOC)和健康狀態(SOH)。

測試結果

►場景應用圖

永豐銀行

►產品實體圖

►展示板照片

►方案方塊圖

►核心技術優勢

1.以 STM32 為核心豐富的介面及可靠穩定的運算, 2.支援 7 節至 16 節堆疊式電池 3.I2C 或 SPI 介面,支援 8 位迴圈冗餘校驗(CRC) 1.模擬前端(AFE)監控器: 2.兩個獨立的 ADC 提供與電流嚴格同步的電池和封裝電壓 3.15 位 ADC,25°C 時總電池測量誤差 ≤5mV 4.16 位 ADC,在 25°C 時通過 SRP-SRN 提供 ±5%(封裝電流和庫倫計數)測量誤差 1.硬體可程式設計保護: 2.充電/放電過流保護(OCP) 3.充電/放電短路保護(SCP) 4.電池欠壓保護(UVP)和過壓保護(OVP) 5.封裝欠壓保護(UVP)和過壓保護(OVP) 6.電池低溫/高溫保護 7.晶片高溫保護 1.集成上管 FET(HS-FET)驅動器: 2.能夠驅動 4 個以上並聯 N 通道 MOSFET 3無需預偏置電路可實現 DSG 軟啟動 4.GPIO 或寄存器控制 FET 5.自動或手動電池平衡 專用功能: 1.低電流待機模式 2,.負載/充電器插入檢測 3.高壓和低壓 GPIO 4.開路檢測 5.電池持續失效標記 6.用於保護閾值的可鎖定 MTP 7.支援隨機電池連接

►方案規格

電池 Lithium-ion #1) 10S1P (LiFePO4 Battery, 磷酸鐵鋰): 36V #2) 12S1P (LiFePO4 Battery, 磷酸鐵鋰): 40V #3) 13S1P (SDI's Battery 21700-50E): 48V #4) 16S1P (SDI's Battery 21700-50E): 60V 最大電池電壓 80V 最大充電電流 50A 最大放電電流 100A 電池組芯數數量 10,12,13或16 平衡電芯電流 每電芯700A 通訊介面 支援 CAN bus and RS-485 溫度監測範圍 -40˚C to 85˚C 具有短路保護 極性反接保護功能 方案大小 126mm x 99mm x 15mm

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