一、方案描述

大聯(lián)大世平集團(tuán)針對(duì)便攜式儲(chǔ)能的電池保護(hù)系統(tǒng)，推出基于晶豐明源(BPS)的MCU LKS32MC453 和 AFE BM81710H 的 48V 高邊 BMS 方案。NMOS 采用芯邁(Silicon Magic)的 SDN10N3P5B-AA。PMOS 采用華潤微（Crmicro）的 CRTM900P10LQ。方案還配備一個(gè)納芯微的氣體壓力傳感器 NSPGS2。此方案具有電芯電壓采集、電流采集、溫度采集、被動(dòng)均衡、充放電控制、高邊開關(guān)、充放電同口等功能特點(diǎn)，支持：過壓/欠壓保護(hù)、高/低溫保護(hù)、斷路保護(hù)、過流保護(hù)等保護(hù)機(jī)制。

二、硬件設(shè)計(jì)說明

1. 主控

BPS 的 LKS32MC453 MCU， 192MHz 32位CortexM4F 內(nèi)核，具有豐富的DSP指令，硬件浮點(diǎn)運(yùn)算單元。內(nèi)置高達(dá)256KB的Flash存儲(chǔ)器，支持加密保護(hù)，最大40KB的SRAM。集成了高性能模擬器件、多種I/O端口和豐富的外設(shè)。內(nèi)置12MHz高精度RC時(shí)鐘和低速32kHz 低速時(shí)鐘，可外掛12~24MHz外部晶振，內(nèi)部PLL可提供最高 192MHz 主頻。

256KB Flash，40KB SRAMB。

包含 3路14Bit SAR ADC，2 Msps采樣及轉(zhuǎn)換速率。

包含 2路12bit DAC 數(shù)模轉(zhuǎn)換器。

3個(gè)通用16位Timer、2個(gè)通用32位Timer、1個(gè)24bit systick 定時(shí)器。

2 個(gè) I2C 接口、2 個(gè) SPI 接口、1路 CAN 接口和 3路 UART 接口

1路獨(dú)立DMA引擎, 共8個(gè)通道, 支持8、16、32bit傳輸

ADC自檢模塊，支持開路短路檢查

1個(gè)CRC模塊

2. AFE-BM81710H

BM81710H 是一款高集成高精度鋰電池監(jiān)控及全方位的安全保護(hù)芯片，且具有高邊NMOS 充放電管驅(qū)動(dòng)控制，適用于10-17 串三元鋰或磷酸鐵鋰等多種電池包應(yīng)用。主要有以下功能特點(diǎn)：

支持 10~17 串電池；

輸入電壓：5V~95V；

電池電壓采集 ADC：14-bit/16-bitΔΣ ，精度：±5mV@2~4.25V/25℃；

4 路溫度檢測(cè) ADC：14-bit/16-bitΔΣ ，精度：±1℃@-40℃~85℃；

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

帶庫侖計(jì)， 精度：±5%uVh，范圍： ±291271uVh ；

支持充電、放電的高邊 NMOS 管控制；

支持預(yù)充電、預(yù)放電的高邊 PMOS 管控制；

通過 400kHz I2C 總線與 MCU 通訊，CRC-8 校驗(yàn)；

支持過流保護(hù)、過壓/欠壓保護(hù)、短路保護(hù)、高/低溫度保護(hù)；

支持?jǐn)嗑€檢測(cè)、負(fù)載和充電器接入檢測(cè)；

支持 0V 禁充保護(hù)；

支持被動(dòng)的硬件自主控制均衡和軟件控制均衡；

支持外部 ECTRL 管腳控制放電管；

支持電子鎖；

耗電參數(shù)：130uA @full power mode/25℃ ，

60uA @Normal sleep mode/25℃，

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

工作環(huán)境溫度：-40~125℃

封裝：LQFP-48。

3. N-MOSFET

充放電開關(guān)控制部分，方案的開關(guān)管 N-MOSFET 采用芯邁的 SDN10N3P5B-AA 來做充電、放電控制開關(guān)。該 MOS 管的漏源電壓（VDS）能夠達(dá)到 100V，其連續(xù)漏電流（ID）可達(dá) 120A@25℃，113A@100℃。當(dāng) VGS = 10V 時(shí)，RDS(on) 的最大值為 3.5mΩ。體二極管正向壓降為 0.9V 左右。

4. P-MOSFET

預(yù)充放電開關(guān)控制部分，方案的開關(guān)管 P-MOSFET 采用華潤微的 CRTM900P10LQ 來做預(yù)充電、預(yù)放電控制開關(guān)。該 MOS 管的漏源電壓（VDS）能夠達(dá)到 -100V，其連續(xù)漏電流（ID）可達(dá) -17A@25℃，-12A@100℃。當(dāng) VGS = 10V 時(shí)，RDS(on) 的典型值為 74mΩ 。體二極管正向壓降為 0.9V 左右。

5. DC-DC

DC-DC 部分，方案采用杰華特的 JWH5140F 來對(duì) BAT+ 的電壓進(jìn)行降壓處理，使 DC-DC 輸出 6V。JWH5140F 的特點(diǎn)如下：

工作輸入范圍為 6V 至 100V。

擁有6A 輸出電流，且內(nèi)部具備軟啟動(dòng)功能。

可調(diào)節(jié)開關(guān)頻率。

在輕載下的強(qiáng)制連續(xù)導(dǎo)通模式（FCCM）。

支持短路保護(hù)。

支持高溫保護(hù)。

封裝：DFN4X-4-8。

6. LDO

LDO 部分，方案采用杰華特的 JW7806 來對(duì) DC-DC 的輸出電壓進(jìn)行再一步的降壓處理使 LDO 輸出 3.3V 。JW7806 的特點(diǎn)如下：

輸入電壓范圍：2V-5.5V。

輸出電壓范圍：2V-4.5V。

輸出電壓精度：±2%。

輸出電流：300mA。

低壓差：120mV（典型值）。

電源抑制比（PSRR）：82dB@1kHz。

無需噪聲旁路電容器。

低輸出電壓噪聲：12 uVRMS。

限流保護(hù)。

過溫保護(hù)。

工作溫度范圍：-40℃-125℃。

封裝：SOT23-5。

7. NSPGS2

壓力檢測(cè)部分，方案采用納芯微的 NSPGS2，NSPGS2系列設(shè)計(jì)用于操作壓力范圍為-100kPa至350kPa，其特點(diǎn)如下：

0°C 至 60°C 范圍內(nèi)優(yōu)于 ±1.5%（模擬）。

-40°C 至 70°C 范圍內(nèi)優(yōu)于 ±2.5%（模擬）。

0°C 至 60°C 范圍內(nèi)優(yōu)于 ±1%（數(shù)字）。

-40°C 至 70°C 范圍內(nèi)優(yōu)于 ±2%（數(shù)字）。

溫度范圍：-40°C ~70°C。

比率/絕對(duì)模擬輸出。

24 位 I2C。

帶空氣噴嘴的 SOP 封裝，易于組裝。

三、方案原理圖

1. MCU

2. 壓力檢測(cè)

3. BM81710H

4. 電源

5. 充放電控制

6.均衡電路

PCB Layout：

TOP Layer：

BOTTOM Layer：

四、軟件設(shè)計(jì)說明

PES-BMS 方案的軟件架構(gòu)如下圖所示，包含驅(qū)動(dòng)層、中間層和應(yīng)用層。

驅(qū)動(dòng)層：是 MCU 的底層驅(qū)動(dòng)，直接與硬件交互，控制和管理 MCU 的硬件資源。主要負(fù)責(zé)初始化、配置和管理硬件資源。PES-BMS 方案涉及到的外設(shè)包括：GPIO、SPI、UART、TIMER、ADC、FLASH、IWDG、AON 等。

中間層：在 MCU 軟件架構(gòu)中扮演著重要的角色，它為上層應(yīng)用提供必要的服務(wù)和功能接口，處理應(yīng)用程序與硬件之間的通信?。同時(shí)隔離系統(tǒng)軟件與底層硬件的直接交互，從而簡化了硬件的復(fù)雜性?。包括AFE 和 BM81710H 驅(qū)動(dòng)、TIMER 中斷處理、Flash 的存取、LED 的開關(guān)、與 PD 面板通訊相關(guān)的串口處理等等。

應(yīng)用層：包括對(duì) AFE 的管理和控制、充放電控制、電池異常狀態(tài)的處理、SOC/SOH、用戶界面（PD Panel）相關(guān)通訊協(xié)議、低功耗管理等等，確保系統(tǒng)與 PES-BMS 應(yīng)用相關(guān)的功能正常運(yùn)行。

場(chǎng)景應(yīng)用圖

展示板照片

?方案方塊圖

核心技術(shù)優(yōu)勢(shì)

1. MCU：

主頻 192MHz，32位CortexM4F 內(nèi)核，具有豐富的DSP指令，硬件浮點(diǎn)運(yùn)算單元。內(nèi)置高達(dá)256KB的Flash存儲(chǔ)器，支持加密保護(hù)，最大40KB的SRAM。

2. AFE:

1) 電池電壓采集 ADC：14-bit/16-bit ΔΣ ，精度：±5mV@2~4.25V/25℃；

2) 4 路溫度檢測(cè) ADC：14-bit/16-bit ΔΣ ，精度：±1℃@-40℃~85℃；

3) 母線電流采集 ADC：16-bit ΔΣ ，精度：±20uV@±5mV/25℃， ±50uV@±200mV/25℃， ±150uV@±200mV/(-40 ℃ ~85℃) ；

4) 帶庫侖計(jì)， 精度：±0.5%uVh，范圍： ±291271uVh ；

5) 耗電參數(shù)：130uA @full power mode/25℃，60uA @Normal sleep mode/25℃，10uA @deep sleep mode/25℃，1uA @shunt down mode/25℃。

3. 高邊開關(guān)。

4. 支持過流保護(hù)、過壓/欠壓保護(hù)、短路保護(hù)、高/低溫度保護(hù)。

5. 支持?jǐn)嗑€檢測(cè)、負(fù)載和充電器接入檢測(cè)。

6. 支持 0V 禁充保護(hù)。

7. 支持被動(dòng)控制均衡。

8. 支持外部 ECTRL 管腳控制放電管。

9. 支持電子鎖。

10. 支持 SOC、SOH。

方案規(guī)格

1. 支持 10 ~ 17 串三元鋰電池、磷酸鐵鋰電池。

2. 輸入電壓：8.5V~95V。

3. 持續(xù)充放電電流可達(dá)到 84A。

4. 高邊開關(guān)：支持充電、放電的高邊 NMOS 開關(guān)和預(yù)充電、預(yù)放電的高邊 PMOS 開關(guān)。

5. 支持過流保護(hù)、過壓/欠壓保護(hù)、短路保護(hù)、高/低溫度保護(hù)。

6. 支持?jǐn)嗑€檢測(cè)、負(fù)載和充電器接入檢測(cè)。

7. 支持 0V 禁充保護(hù)。

8. 支持被動(dòng)控制均衡。

9. 支持外部 ECTRL 管腳控制放電管。

10. 支持電子鎖。

11. 支持 SOC、SOH。

12. 充放電同口。

13. 支持串口通訊。

14. 支持外部按鍵開啟/關(guān)閉輸出，并且通過 LED 燈指示輸出狀態(tài)。

15. 支持外部按鍵復(fù)位/重啟。

開發(fā)板尺寸 : 125 * 87 mm。

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