【参考设计】16 芯串联电池包储能系统

电池包的应用与技术问题

为了获得更大的能量密度，锂离子和磷酸铁锂电池在电池包中的使用越来越多，比如：电信机房的 UPS 单元，移动式电站，储能系统等。

锂离子和磷酸铁锂电池在提供更高的功率和能量密度的同时也需要更准确和复杂的监测和保护。比如：欠压保护 (CUV)、电芯过压 (COV)、过热 (OT)、 充电过流 (OCC) 和放电过流 (OCD)、 短路放电 (SCD)。这些方面出现轻则会加速电池退化，严重的可能导致热失控和爆炸。

系统需要良好的测量精度来知道电芯电压、电池包电流和电芯温度，以实现准确的保护以及电池包充电状态 (SoC) 和电池运行状况 (SoH) 计算。同时还需要在运输模式和待机模式下，保持更低的待机功耗，以保证长时间存储的情况下，电池不会过放电。

电池包储能系统的设计

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设计使用 BQ76952 作为电池监控器和保护器，用于监控每个电芯的电压、温度和电池包电流。

MOS 管驱动器 UCC27524 支持 5A 灌电流和拉电流，能够驱动更多 MOSFET 以支持更大的电池容量。五对 N 沟道 MOSFET 位于电池负极中，作为控制充电和放电过程的开关。防止出现电芯过压、电芯欠压、过热、充电和放电过流以及短路放电等情况。

设计使用低功耗 MCU,MSP430FR2155 支持隔离式 RS-485 通信，以传输电池包数据和接收命令，保留隔离式 CAN 收发器来测试辅助电源性能。

设计使用 100V 输入、0.5A、超低 IQ 同步降压直流/直流转换器 LM5163 来降低电池电压，从而为 MOSFET 驱动器供电。Fly-Buck 转换器 TPS54308 用于生成非隔离式 3.3V 电源为 MSU 供电，隔离式 5V 电源为隔离式通信收发器供电。低 IQ LDO TPS7A24 可使隔离式输出电压保持稳定。使用具有正温度系数和 0603 封装 TMP61 的 ±1%、10kΩ 线性热敏电阻通过 MCU ADC 来监测 MOSFET 温度。

辅助电源架构可实现非常低的功耗，运输模式 (10μA) 和待机模式 (100μA) 。

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系统框图

辅助电源的设计

为了保证在待机模式和运输模式下的低功耗，及正常工作时设备的良好热性能，需要针对辅助电源针对性做低功耗策略设计。

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辅助电源架构

待机模式下降低功耗：通过 EN 引脚禁用 LM5163，可实现 TPS54308、UCC27524、UCC27517 掉电节能。BQ76952 通过稳压器输出 3.3V 电压，为处于低功耗模式的 MCU 供电。在待机模式下如需要快速放电，LM5163 仍可为 UCC27524 和 UCC27517 提供 12V 供电，MOSFET 导通以实现快速响应放电。此时仍可通过 EN 引脚关闭 TPS54308，关闭隔离通信功能，降低功耗。

运输模式下降低功耗：当系统遇到严重的电芯欠压情况且必须进入运输模式时，MCU 将配置 BQ76952 进入关断模式，并通过 EN 引脚禁用 LM5163 输出。系统将进入超低电流消耗模式。设计支持充电器连接唤醒功能，连接充电器后 BQ76952 会唤醒并启用正常的 5V 稳压器输出，MCU 上电并通过 EN 引脚启用 LM5163，整个系统回到正常模式。

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