詳析備用電池單元微控制器的功能和操作
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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(jìn)程平穩運行，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(shí)現滿(mǎn)足規范要求的系統級解決方案。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(jiǎn)單而有效，不容小覷。
本文引用地址：http://dyxdggzs.com/article/202406/460084.htm每個(gè)BBU模塊均采用一個(gè)微控制器和一個(gè)電池管理系統(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，負責執行六個(gè)重要進(jìn)程（見(jiàn)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。
圖1.主控制器的管理操作周期1
微控制器的六個(gè)進(jìn)程如下
執行管理任務(wù)和通過(guò)I2C協(xié)議與各種外設進(jìn)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。 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(lái)自輔助器件的數據，同時(shí)充當I2C主器件。為了推進(jìn)各種任務(wù)順利進(jìn)行，微控制器還負責控制各種I2C輔助器件。多款I(lǐng)2C輔助器件示例如下： BMS微控制器采用MAX32625。 LTC2971,雙通道電源系統管理器。 MAX31760,精密風(fēng)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。 微控制器定期與BMS微控制器(MAX32625)通信，接收有關(guān)各個(gè)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(jìn)行一次，因為電芯電壓、SOC、SOH和溫度預計不會(huì )快速變化。如果發(fā)生任何故障，兩個(gè)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(jìn)而立即讀取BMS微控制器，獲取有關(guān)故障的信息。微控制器中有專(zhuān)用I2C端口，僅用于與BMS微控制器通信，以支持兩個(gè)微控制器之間快速通信。 微控制器時(shí)常通過(guò)電源管理總線(xiàn)(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(wú)警告和故障。當測量背板輸出電壓參數時(shí)，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(huì )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范圍內。 MAX31760負責調節BBU模塊的風(fēng)扇速度。脈沖寬度調制的占空比由微控制器配置，以通過(guò)I2C調節風(fēng)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(fēng)扇速度 板載EEPROM充當整個(gè)BBU模塊的外部存儲器件。微控制器通過(guò)I2C寫(xiě)入閃存頁(yè)，定期將電池電壓水平、SOC、SOH、電芯類(lèi)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(shí)更新一次，用戶(hù)可以在維護和故障排除期間訪(fǎng)問(wèn)。 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，監測電池模塊的溫度。根據溫度讀數，微控制器可以調節風(fēng)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。 微控制器還負責處理電池的充電模式。開(kāi)始時(shí)，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。一旦電芯處于穩定狀態(tài)，微控制器就會(huì )將充電電流調整為2A，此時(shí)每個(gè)電芯的電壓尚未達到4V。利用來(lái)自BMS微控制器的數據持續監測電芯電壓，并使用模數轉換器外設測量整個(gè)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(huì )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。微控制器將繼續監測整個(gè)電池層電壓水平，同時(shí)從BMS微控制器獲取數據，檢查所有電池是否充滿(mǎn)電。如圖2所示。 圖2.恒流和恒壓充電算法 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(guān)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(huì )立即將LT8228方向引腳從充電模式切換到放電模式，這種模式持續四分鐘以處理停電情況。這四分鐘里模塊將持續放電，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(jìn)入放電模式。電源恢復后，BBU將切換回主電源，并開(kāi)始為電池充電。有關(guān)如何操作和維護BBU的具體說(shuō)明，請參考圖3了解此過(guò)程。 圖3.充放電模式轉換的處理操作 制定明確的故障處理計劃非常重要。為了避免產(chǎn)生壓力和得到不好的結果，提前發(fā)現潛在問(wèn)題并制定處理方案至關(guān)重要。如需確保系統操作順利運行，了解即將發(fā)生的情況，那么與相關(guān)系統中集成的器件進(jìn)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(guān)鍵。因此，微控制器經(jīng)過(guò)專(zhuān)門(mén)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(guān)征兆后，算法將執行驗證檢查，只有在問(wèn)題連續發(fā)生或在設定的周期數內發(fā)生時(shí)，才會(huì )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。 Modbus功能代碼對于在Modbus網(wǎng)絡(luò )的器件之間建立通信至關(guān)重要。這些代碼確定器件之間發(fā)送的請求或響應的類(lèi)型，例如讀取或寫(xiě)入數據。一些比較常見(jiàn)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(guān)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(huì )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(guò)UART協(xié)議處理來(lái)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(diǎn)在于，它不受系統級電磁干擾的影響，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(guò)ADM2561完成的，ADM2561通過(guò)DB9(D-Subminiature)連接器和RJ45互聯(lián)網(wǎng)端口連接到主機PC。 圖4.模塊到機架通信和機架到PC通信框圖 控制器架構必須要滿(mǎn)足穩健可靠、高效且適應性強的要求，同時(shí)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(wú)縫的算法更改和更新。此外還應內置有安全機制，以防范系統故障或事故，并能輕松處理意外事件?？偟膩?lái)說(shuō)，高質(zhì)量的控制器架構應提供可靠且高效的系統控制，同時(shí)可以降低錯誤或故障發(fā)生的概率。 (來(lái)源：亞德諾半導體）執行管理任務(wù)和通過(guò)I2C與各種外設通信
BMS微控制器(MAX32625)
LTC2971（電源管理IC）
MAX31760（風(fēng)扇控制器）
24AA512TT（EEPROM?數據存儲）
LTC2991（數字板載溫度監測）
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