詳析備用電池單元微控制器的功能和操作

自行車功率計是一種測量健身自行車騎行者功率輸出（以瓦為單位）的儀器，此類功率計作為訓練輔助工具，可向騎行者提供有關(guān)其運動量的反饋信息。例如，騎行者可以設(shè)定在上坡期間保持至少200 W功率輸出的目標。如果功率低于此值，騎行者可以通過加快踩踏板速度或換至更高檔位來增加功率。功率通常顯示在自行車車把上安裝的主控單元上。功率計與計算和顯示功率的設(shè)備之間必須有無線連接。為了測量功率，有必要測量施加到自行車傳動系統(tǒng)某部分的機械應(yīng)變?；菟雇姌螂娐分羞B接的應(yīng)變片可用于測量機械應(yīng)變?；菟雇姌虍a(chǎn)生的信號通常非常小，頻率非常低。因此，需要通過具有零漂移輸入失調(diào)電壓的高精度放大器將信號放大。此外，功率計始終由電池供電，因此功率計的總電流消耗必須盡可能低。

每個BBU模塊均采用一個微控制器和一個電池管理系統(tǒng)(BMS)微控制器。在ADI公司的參考設(shè)計中，超低功耗Arm微控制器MAX32690充當微控制器，負責執(zhí)行六個重要進程（見圖1）。MAX32625微控制器充當參考設(shè)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(shù)據(jù)傳遞給微控制器。

圖1.主控制器的管理操作周期1

微控制器的六個進程如下

執(zhí)行管理任務(wù)和通過I2C協(xié)議與各種外設(shè)進行通信。

處理由背板電壓數(shù)據(jù)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(zhuǎn)變BBU模塊的充放電狀態(tài)。

故障處理和響應(yīng)。

作為Modbus從機響應(yīng)Modbus命令。

01微控制器進程

執(zhí)行管理任務(wù)和通過I2C與各種外設(shè)通信

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自輔助器件的數(shù)據(jù)，同時充當I2C主器件。為了推進各種任務(wù)順利進行，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(tǒng)管理器。

MAX31760,精密風扇速度控制器。

24AA512T/EEPROM，用作數(shù)據(jù)存儲器，可檢索和存儲重要數(shù)據(jù)。

LTC2991溫度傳感器。

BMS微控制器(MAX32625)

微控制器定期與BMS微控制器(MAX32625)通信，接收有關(guān)各個電池包的電芯電壓、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(xiàn)的任何故障的更新信息。更新每四分鐘進行一次，因為電芯電壓、SOC、SOH和溫度預(yù)計不會快速變化。如果發(fā)生任何故障，兩個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。微控制器中有專用I2C端口，僅用于與BMS微控制器通信，以支持兩個微控制器之間快速通信。

LTC2971（電源管理IC）

微控制器時常通過電源管理總線(PMBUS)協(xié)議與LTC2971通信，檢查電壓、電流和溫度測量結(jié)果以及有無警告和故障。當測量背板輸出電壓參數(shù)時，LTC2971起到快速反饋作用，以便微控制器調(diào)整其例程。此外，該器件會調(diào)整電源變換器的反饋電壓，并允許其將輸出電壓下調(diào)1%，從而確保放電工作模式下輸出電壓處于調(diào)節(jié)范圍內(nèi)。

MAX31760（風扇控制器）

MAX31760負責調(diào)節(jié)BBU模塊的風扇速度。脈沖寬度調(diào)制的占空比由微控制器配置，以通過I2C調(diào)節(jié)風扇的速度。微控制器根據(jù)溫度以及背板負載電流或電池包負載電流，計算并調(diào)整所需的風扇速度

24AA512TT（EEPROM?數(shù)據(jù)存儲）

板載EEPROM充當整個BBU模塊的外部存儲器件。微控制器通過I2C寫入閃存頁，定期將電池電壓水平、SOC、SOH、電芯類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(shù)據(jù)每小時更新一次，用戶可以在維護和故障排除期間訪問。

LTC2991（數(shù)字板載溫度監(jiān)測）

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(nèi)部重要位置的各種數(shù)字傳感器，監(jiān)測電池模塊的溫度。根據(jù)溫度讀數(shù)，微控制器可以調(diào)節(jié)風扇速度，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。

02選擇恒流模式或恒壓模式處理電池的充電

微控制器還負責處理電池的充電模式。開始時，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(wěn)定狀態(tài)，微控制器就會將充電電流調(diào)整為2A，此時每個電芯的電壓尚未達到4V。利用來自BMS微控制器的數(shù)據(jù)持續(xù)監(jiān)測電芯電壓，并使用模數(shù)轉(zhuǎn)換器外設(shè)測量整個電池層電壓，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(xù)監(jiān)測整個電池層電壓水平，同時從BMS微控制器獲取數(shù)據(jù)，檢查所有電池是否充滿電。如圖2所示。

圖2.恒流和恒壓充電算法

03電源變換器充放電狀態(tài)的轉(zhuǎn)變

充分了解BBU在電源中斷期間如何從待機模式轉(zhuǎn)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(shù)據(jù)丟失，模塊的微控制器密切監(jiān)視背板電壓水平。LT8228的默認充電模式設(shè)置在49V至53V左右，但如果微控制器檢測到背板電壓在2ms內(nèi)降至48.5V以下，則會立即將LT8228方向引腳從充電模式切換到放電模式，這種模式持續(xù)四分鐘以處理停電情況。這四分鐘里模塊將持續(xù)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(yīng)仍未恢復，模塊將再等待一分鐘，以便電芯冷卻，然后再次進入放電模式。電源恢復后，BBU將切換回主電源，并開始為電池充電。有關(guān)如何操作和維護BBU的具體說明，請參考圖3了解此過程。

圖3.充放電模式轉(zhuǎn)換的處理操作

04故障處理和響應(yīng)

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(jié)果，提前發(fā)現(xiàn)潛在問題并制定處理方案至關(guān)重要。如需確保系統(tǒng)操作順利運行，了解即將發(fā)生的情況，那么與相關(guān)系統(tǒng)中集成的器件進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(yīng)對方式才是決定結(jié)果的關(guān)鍵。因此，微控制器經(jīng)過專門設(shè)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(zhí)行算法檢查以檢測可能觸發(fā)故障的前兆現(xiàn)象。檢測到相關(guān)征兆后，算法將執(zhí)行驗證檢查，只有在問題連續(xù)發(fā)生或在設(shè)定的周期數(shù)內(nèi)發(fā)生時，才會確認故障。這種做法非常明智，可以確保識別和解決真正的故障。

05作為Modbus從機響應(yīng)Modbus命令

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(yīng)的類型，例如讀取或?qū)懭霐?shù)據(jù)。一些比較常見的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(guī)范認為必要的所有基本Modbus命令提供支持。這些命令有權(quán)更改模塊的設(shè)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(shù)的重要信息。微控制器驗證消息后，就會根據(jù)收到的命令做出響應(yīng)。

微控制器利用ADM2561和ADM30611收發(fā)器，通過UART協(xié)議處理來自各種外設(shè)的數(shù)據(jù)，并將其傳輸?shù)綑C架微控制器，如圖4所示。采用隔離型收發(fā)器的優(yōu)點在于，它不受系統(tǒng)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ADM2561完成的，ADM2561通過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

06總結(jié)

控制器架構(gòu)必須要滿足穩(wěn)健可靠、高效且適應(yīng)性強的要求，同時應(yīng)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(gòu)應(yīng)該是模塊化的，以便支持無縫的算法更改和更新。此外還應(yīng)內(nèi)置有安全機制，以防范系統(tǒng)故障或事故，并能輕松處理意外事件?？偟膩碚f，高質(zhì)量的控制器架構(gòu)應(yīng)提供可靠且高效的系統(tǒng)控制，同時可以降低錯誤或故障發(fā)生的概率。

原文轉(zhuǎn)自亞德諾半導體