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詳析備用電池單元微控制器的功能和操作

發(fā)布時間:2024-06-18 責任編輯:lina

【導讀】本文將深入介紹備用電池單元(BBU)中微控制器的軟件,該軟件主要負責確保進程平穩(wěn)運行,從而為BBU的高效率和容量提供保障。硬件和軟件必須順暢協(xié)作,才能實現滿足規(guī)范要求的系統(tǒng)級解決方案。將良好的管理方式放在優(yōu)先位置,可以確保電路具有優(yōu)異安全性和性能,此方法簡單而有效,不容小覷。


本文將深入介紹備用電池單元(BBU)中微控制器的軟件,該軟件主要負責確保進程平穩(wěn)運行,從而為BBU的高效率和容量提供保障。硬件和軟件必須順暢協(xié)作,才能實現滿足規(guī)范要求的系統(tǒng)級解決方案。將良好的管理方式放在優(yōu)先位置,可以確保電路具有優(yōu)異安全性和性能,此方法簡單而有效,不容小覷。


每個BBU模塊均采用一個微控制器和一個電池管理系統(tǒng)(BMS)微控制器。在ADI公司的參考設計中,超低功耗Arm?微控制器MAX32690充當微控制器,負責執(zhí)行六個重要進程(見圖1)。MAX32625微控制器充當參考設計的BMS微控制器。BMS微控制器負責與ADBMS6948芯片通信,并將所有測量數據傳遞給微控制器。


詳析備用電池單元微控制器的功能和操作

圖1.主控制器的管理操作周期1


微控制器的六個進程如下

  • 執(zhí)行管理任務和通過I2C協(xié)議與各種外設進行通信。

  • 處理由背板電壓數據提供的放電序列。

  • 選擇恒流模式或恒壓模式處理電池的充電工作。

  • 轉變BBU模塊的充放電狀態(tài)。

  • 故障處理和響應。

  • 作為Modbus從機響應Modbus命令。


01 微控制器進程

執(zhí)行管理任務和通過I2C與各種外設通信

在眾多輔助器件連接到模塊電路的情況下,微控制器用作I2C主器件。核心微控制器收集并保存來自輔助器件的數據,同時充當I2C主器件。為了推進各種任務順利進行,微控制器還負責控制各種I2C輔助器件。多款I2C輔助器件示例如下:


  • BMS微控制器采用MAX32625。

  • LTC2971,雙通道電源系統(tǒng)管理器。

  • MAX31760,精密風扇速度控制器。

  • 24AA512T/EEPROM,用作數據存儲器,可檢索和存儲重要數據。

  • LTC2991溫度傳感器。


BMS微控制器(MAX32625)

微控制器定期與BMS微控制器(MAX32625)通信,接收有關各個電池包的電芯電壓、充電狀態(tài)(SOC)、健康狀態(tài)(SOH)、電芯溫度以及電池包可能出現的任何故障的更新信息。更新每四分鐘進行一次,因為電芯電壓、SOC、SOH和溫度預計不會快速變化。如果發(fā)生任何故障,兩個微控制器之間的共享引腳將置為高電平,并觸發(fā)微控制器上的中斷,進而立即讀取BMS微控制器,獲取有關故障的信息。微控制器中有專用I2C端口,僅用于與BMS微控制器通信,以支持兩個微控制器之間快速通信。


LTC2971(電源管理IC)

微控制器時常通過電源管理總線(PMBUS)協(xié)議與LTC2971通信,檢查電壓、電流和溫度測量結果以及有無警告和故障。當測量背板輸出電壓參數時,LTC2971起到快速反饋作用,以便微控制器調整其例程。此外,該器件會調整電源變換器的反饋電壓,并允許其將輸出電壓下調1%,從而確保放電工作模式下輸出電壓處于調節(jié)范圍內。


MAX31760(風扇控制器)

MAX31760負責調節(jié)BBU模塊的風扇速度。脈沖寬度調制的占空比由微控制器配置,以通過I2C調節(jié)風扇的速度。微控制器根據溫度以及背板負載電流或電池包負載電流,計算并調整所需的風扇速度


24AA512TT(EEPROM?數據存儲)

板載EEPROM充當整個BBU模塊的外部存儲器件。微控制器通過I2C寫入閃存頁,定期將電池電壓水平、SOC、SOH、電芯類型和型號年份以及電路板溫度等重要信息保存到EEPROM中。該數據每小時更新一次,用戶可以在維護和故障排除期間訪問。


LTC2991(數字板載溫度監(jiān)測)

LTC2991是一款八通道電壓、電流和溫度傳感器。該器件借助放置在電池模組內部重要位置的各種數字傳感器,監(jiān)測電池模塊的溫度。根據溫度讀數,微控制器可以調節(jié)風扇速度,確保電源板和電池堆的工作溫度保持在適當水平,并且始終低于40°C。



02 選擇恒流模式或恒壓模式處理電池的充電

微控制器還負責處理電池的充電模式。開始時,電芯的電壓容量非常低,微控制器允許以最大5A的電流為電芯充電。一旦電芯處于穩(wěn)定狀態(tài),微控制器就會將充電電流調整為2A,此時每個電芯的電壓尚未達到4V。利用來自BMS微控制器的數據持續(xù)監(jiān)測電芯電壓,并使用模數轉換器外設測量整個電池層電壓,微控制器便可以判斷所有電芯是否都已達到4V,如達到4V,微控制器便會將充電模式切換為恒壓模式。這需要將充電電流限制為僅0.5A。微控制器將繼續(xù)監(jiān)測整個電池層電壓水平,同時從BMS微控制器獲取數據,檢查所有電池是否充滿電。如圖2所示。


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圖2.恒流和恒壓充電算法


03 電源變換器充放電狀態(tài)的轉變

充分了解BBU在電源中斷期間如何從待機模式轉變到電池供電模式至關重要。為了防止任何意外斷電和數據丟失,模塊的微控制器密切監(jiān)視背板電壓水平。LT8228的默認充電模式設置在49V至53V左右,但如果微控制器檢測到背板電壓在2ms內降至48.5V以下,則會立即將LT8228方向引腳從充電模式切換到放電模式,這種模式持續(xù)四分鐘以處理停電情況。這四分鐘里模塊將持續(xù)放電,以確保供電不間斷。如果電芯的條件允許且背板電壓供應仍未恢復,模塊將再等待一分鐘,以便電芯冷卻,然后再次進入放電模式。電源恢復后,BBU將切換回主電源,并開始為電池充電。有關如何操作和維護BBU的具體說明,請參考圖3了解此過程。


詳析備用電池單元微控制器的功能和操作

圖3.充放電模式轉換的處理操作

04 故障處理和響應

制定明確的故障處理計劃非常重要。為了避免產生壓力和得到不好的結果,提前發(fā)現潛在問題并制定處理方案至關重要。如需確保系統(tǒng)操作順利運行,了解即將發(fā)生的情況,那么與相關系統(tǒng)中集成的器件進行順暢通信也是非常必要的。請記住,錯誤和故障難以完全避免,而應對方式才是決定結果的關鍵。因此,微控制器經過專門設計,可減少OCP指定故障的誤報發(fā)生率。微控制器中的固件程序執(zhí)行算法檢查以檢測可能觸發(fā)故障的前兆現象。檢測到相關征兆后,算法將執(zhí)行驗證檢查,只有在問題連續(xù)發(fā)生或在設定的周期數內發(fā)生時,才會確認故障。這種做法非常明智,可以確保識別和解決真正的故障。


05 作為Modbus從機響應Modbus命令

Modbus功能代碼對于在Modbus網絡的器件之間建立通信至關重要。這些代碼確定器件之間發(fā)送的請求或響應的類型,例如讀取或寫入數據。一些比較常見的Modbus功能代碼包括模塊指標、模塊工作狀態(tài)、模塊寄存器地址和故障狀態(tài)。


Modbus命令的處理完全由微控制器控制。微控制器可以為OCP規(guī)范認為必要的所有基本Modbus命令提供支持。這些命令有權更改模塊的設置,或提供有關電池SOC、運行狀況、電芯電壓水平、充電和放電電流以及其他參數的重要信息。微控制器驗證消息后,就會根據收到的命令做出響應。


微控制器利用ADM2561和ADM30611收發(fā)器,通過UART協(xié)議處理來自各種外設的數據,并將其傳輸到機架微控制器,如圖4所示。采用隔離型收發(fā)器的優(yōu)點在于,它不受系統(tǒng)級電磁干擾的影響,并且符合OCP制定的電磁兼容性(EMC)標準。此外,機架到PC的通信是通過ADM2561完成的,ADM2561通過DB9(D-Subminiature)連接器和RJ45互聯網端口連接到主機PC。


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圖4.模塊到機架通信和機架到PC通信框圖


06 總結

控制器架構必須要滿足穩(wěn)健可靠、高效且適應性強的要求,同時應該具有明確定義的輸入和輸出,并可以處理復雜算法例程。該架構應該是模塊化的,以便支持無縫的算法更改和更新。此外還應內置有安全機制,以防范系統(tǒng)故障或事故,并能輕松處理意外事件??偟膩碚f,高質量的控制器架構應提供可靠且高效的系統(tǒng)控制,同時可以降低錯誤或故障發(fā)生的概率。

(來源:亞德諾半導體)


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