【導讀】便攜儲能市場(chǎng)的快速增長(cháng)帶來(lái)了戶(hù)外電源這一消費品類(lèi)，并且隨著(zhù)消費者對用電需求增加，使得戶(hù)外電源功率不斷增大。為了保證戶(hù)外電源的安全，電池管理系統（BMS）設計需要高度可靠，有些設計者會(huì )采用冗余設計來(lái)實(shí)現該需求。本文介紹一種戶(hù)外電源BMS中的冗余設計策略，以避免單點(diǎn)失效。
1. 供電環(huán)節冗余設計
BMS板上的主要用電設備有MCU、模擬前端、信號調理芯片、通信芯片等。其中，模擬前端由電池直接供電，而信號調理、通信、風(fēng)扇、顯示這些用電設備不直接影響系統安全，由降壓芯片將電池轉換為合適電壓供電即可。MCU最為重要，它不僅用于接收、處理、傳輸數據，還用于直接下達保護指令，因此需要冗余供電，常見(jiàn)的冗余供電設計如下圖1所示。
圖1 戶(hù)外電源BMS供電系統框圖
圖1顯示MCU具備兩路供電鏈路，主鏈路由降壓芯片將電池電壓轉換到3.3V供電，副鏈路通過(guò)模擬前端芯片內置的LDO供電。當降壓芯片由于干擾或其他原因工作異常，導致MCU掉電，切換到模擬前端供電，此時(shí)系統報告異常，停止充電或者放電。此外，模擬前端的LDO輸出經(jīng)Oring模塊(LM5050)連接MCU供電，正常工況下不從該鏈路取電。一旦主鏈路掉電，不間斷切換到該鏈路供電，防止MCU掉電重啟，丟失數據。該冗余設計也可用于降低系統功耗，正常工作時(shí)系統從降壓芯片取電，所有外設均工作。進(jìn)入休眠態(tài)后，降壓芯片禁用，MCU由模擬前端供電，其余外設不工作。
2.采樣環(huán)節冗余設計
模擬前端（AFE）芯片BQ76952可用于1-16s電芯的監控，適用于2kw-5kw的戶(hù)外電源BMS中。AFE自帶電芯電壓采樣、電池包電壓采樣，也可外接采樣電阻監測電流。為保證采樣系統的可靠，增加了外部采樣環(huán)節，如圖2所示，包括高精度電流采樣運放INA280和通用運放OPA197采集電流和電池包電壓。 正常工況下MCU從AFE和外部采樣環(huán)節得到的電壓電流數據無(wú)太大差異，平均處理后即可傳輸到外部系統中，當AFE和外部采樣環(huán)節得到的數據差異性過(guò)大，系統認為存在異常，停止充電或者對外放電。
圖2 戶(hù)外電源BMS功能系統框圖
3. 復位環(huán)節冗余設計
BQ76952帶有Watchdog功能，喂狗時(shí)間可在0-65535s間配置。MCU需要在喂狗時(shí)間間隔內定期發(fā)送指令給AFE，否則將自動(dòng)禁用AFE內部LDO一段時(shí)間后再使能，使得MCU掉電重啟。為保證復位系統的可靠，還采用外部Reset芯片TPS3431用于冗余系統復位。正常工況下，AFE內置的Watchdog用于自動(dòng)停止充電或者對外放電，而外部芯片則用于系統復位。休眠態(tài)時(shí)靠AFE內置Watchdog使得MCU掉電重啟。
4. 保護環(huán)節冗余設計
BQ76952帶有電壓、電流保護，且可配置成多級保護。為避免AFE失效時(shí)系統無(wú)法工作，增加比較器，將外部采樣環(huán)節得到的電壓電流通過(guò)比較器LM293獲得觸發(fā)信號給MCU。正常工作時(shí)，前兩級保護配置在A(yíng)FE中，將比較器獲得的觸發(fā)信號做第三級保護，如圖2所示。
5. 戶(hù)外電源電池包熱拔插設計
由于眾多消費者對戶(hù)外電源續航的要求，滋生出了新的設計考量，即在主電池包基礎上增添副電池包，并且可支持熱拔插，來(lái)實(shí)現不間斷供電。然而在主電池包向副電池包換流過(guò)程中，低壓側電池包的充電FET的體二極管容易承受大電流，導致過(guò)熱，如圖3所示，如果時(shí)間過(guò)長(cháng)會(huì )損壞FET。
圖3 主電池包向副電池包換流過(guò)程
由于系統架構采用MCU發(fā)指令給AFE的模式，如圖4所示，AFE在收到導通指令后，需要經(jīng)過(guò)固有延時(shí)（最長(cháng)會(huì )到250ms）才導通FET，如圖5，這使得體二極管承受長(cháng)時(shí)間大電流，容易損壞。盡管AFE具備體二極管保護功能，然而該應用場(chǎng)景不能使能該功能。這是因為不間斷供電的需求，以及防止高壓電池包電流倒灌到低壓電池包，系統會(huì )首先關(guān)斷CHG FET，電流換流到CHG FET的體二極管。此時(shí)如果觸發(fā)體二極管保護功能，充電FET會(huì )重新自動(dòng)導通，形成倒灌，所以不可取。
圖4 BMS FET控制架構
圖5 AFE導通時(shí)間存在固有延時(shí)
加快FET的導通可以減小體二極管承受電流的時(shí)間，因此換流過(guò)程中采用MCU直驅的方式來(lái)快速閉合FET，以達到目的，控制架構如圖6所示，將AFE的DCHG/DDSG信號與MCU的控制信號與邏輯后，通過(guò)高邊驅動(dòng)控制FET
圖6 添加MCU直驅的控制架構
常規工況下，MCU恒定給高電平，系統靠AFE控制。發(fā)生熱插拔時(shí)， AFE先恒定給高電平，靠副包的MCU信號快速導通開(kāi)關(guān)管。
來(lái)源：TI
作者：Chen, Dillen
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