一种用于户外电源电池管理系统的冗余设计

作者：Chen, Dillen 

便携储能市场的快速增长带来了户外电源这一消费品类，并且随着消费者对用电需求增加，使得户外电源功率不断增大。为了保证户外电源的安全，电池管理系统（BMS）设计需要高度可靠，有些设计者会采用冗余设计来实现该需求。本文介绍一种户外电源BMS中的冗余设计策略，以避免单点失效。

1. 供电环节冗余设计

BMS板上的主要用电设备有MCU、模拟前端、信号调理芯片、通信芯片等。其中，模拟前端由电池直接供电，而信号调理、通信、风扇、显示这些用电设备不直接影响系统安全，由降压芯片将电池转换为合适电压供电即可。MCU最为重要，它不仅用于接收、处理、传输数据，还用于直接下达保护指令，因此需要冗余供电，常见的冗余供电设计如下图1所示。

图1 户外电源BMS供电系统框图

图1显示MCU具备两路供电链路，主链路由降压芯片将电池电压转换到3.3V供电，副链路通过模拟前端芯片内置的LDO供电。当降压芯片由于干扰或其他原因工作异常，导致MCU掉电，切换到模拟前端供电，此时系统报告异常，停止充电或者放电。此外，模拟前端的LDO输出经Oring模块(LM5050)连接MCU供电，正常工况下不从该链路取电。一旦主链路掉电，不间断切换到该链路供电，防止MCU掉电重启，丢失数据。该冗余设计也可用于降低系统功耗，正常工作时系统从降压芯片取电，所有外设均工作。进入休眠态后，降压芯片禁用，MCU由模拟前端供电，其余外设不工作。

2.采样环节冗余设计

模拟前端（AFE）芯片BQ76952可用于1-16s电芯的监控，适用于2kw-5kw的户外电源BMS中。AFE自带电芯电压采样、电池包电压采样，也可外接采样电阻监测电流。为保证采样系统的可靠，增加了外部采样环节，如图2所示，包括高精度电流采样运放INA280和通用运放OPA197采集电流和电池包电压。 正常工况下MCU从AFE和外部采样环节得到的电压电流数据无太大差异，平均处理后即可传输到外部系统中，当AFE和外部采样环节得到的数据差异性过大，系统认为存在异常，停止充电或者对外放电。

图2 户外电源BMS功能系统框图

3. 复位环节冗余设计

BQ76952带有Watchdog功能，喂狗时间可在0-65535s间配置。MCU需要在喂狗时间间隔内定期发送指令给AFE，否则将自动禁用AFE内部LDO一段时间后再使能，使得MCU掉电重启。为保证复位系统的可靠，还采用外部Reset芯片TPS3431用于冗余系统复位。正常工况下，AFE内置的Watchdog用于自动停止充电或者对外放电，而外部芯片则用于系统复位。休眠态时靠AFE内置Watchdog使得MCU掉电重启。

4. 保护环节冗余设计

BQ76952带有电压、电流保护，且可配置成多级保护。为避免AFE失效时系统无法工作，增加比较器，将外部采样环节得到的电压电流通过比较器LM293获得触发信号给MCU。正常工作时，前两级保护配置在AFE中，将比较器获得的触发信号做第三级保护，如图2所示。

5. 户外电源电池包热拔插设计

由于众多消费者对户外电源续航的要求，滋生出了新的设计考量，即在主电池包基础上增添副电池包，并且可支持热拔插，来实现不间断供电。然而在主电池包向副电池包换流过程中，低压侧电池包的充电FET的体二极管容易承受大电流，导致过热，如图3所示，如果时间过长会损坏FET。

图3 主电池包向副电池包换流过程

由于系统架构采用MCU发指令给AFE的模式，如图4所示，AFE在收到导通指令后，需要经过固有延时（最长会到250ms）才导通FET，如图5，这使得体二极管承受长时间大电流，容易损坏。尽管AFE具备体二极管保护功能，然而该应用场景不能使能该功能。这是因为不间断供电的需求，以及防止高压电池包电流倒灌到低压电池包，系统会首先关断CHG FET，电流换流到CHG FET的体二极管。此时如果触发体二极管保护功能，充电FET会重新自动导通，形成倒灌，所以不可取。

图4 BMS FET控制架构


图5 AFE导通时间存在固有延时

加快FET的导通可以减小体二极管承受电流的时间，因此换流过程中采用MCU直驱的方式来快速闭合FET，以达到目的，控制架构如图6所示，将AFE的DCHG/DDSG信号与MCU的控制信号与逻辑后，通过高边驱动控制FET

图6 添加MCU直驱的控制架构

常规工况下，MCU恒定给高电平，系统靠AFE控制。发生热插拔时， AFE先恒定给高电平，靠副包的MCU信号快速导通开关管。