该参考设计是一款适用于高压锂离子 (Li-ion)、磷酸铁锂 (LiFePO4) 电池架的中央控制器。该设计提供高压继电器驱动电路、通信接口（包括 RS-485、控制器局域网 (CAN)、菊花链和以太网）、湿度传感器的可扩展接口、高压模数转换器 (ADC) 和电流传感器。该设计使用高性能微控制器来开发和测试应用程序。得益于这些特性，该参考设计适用于高容量电池架应用的中央控制器。

• 接口符合 Sitara™ MCU controlCARD 标准
• 完整的通信接口，包括隔离式 CAN、RS-485 和以太网
• 继电器线圈的稳健驱动通道
• 稳健的菊花链通信通道
• 带湿度传感器、实时时钟、看门狗和高压 ADC 的综合接口
• 电源反极性保护

• 电池储能系统

目前，电池储能系统 (BESS) 在住宅、商业和工业、电网储能和管理领域发挥着重要作用。BESS 具有多种高压系统结构。商业、工业和电网 BESS 包含多个电池架，每个电池架的电池组中包含多个电池包。住宅 BESS 包含一个电池架。

电池架是组成 BESS 的集成模块。电池架由并联的电池包组成。由于电池电芯需要适当的工作和贮存温度、电压范围和电流范围，以确保生命周期和安全，因此必须在电池架级别监测并保护电池电芯。

电池控制单元 (BCU) 是一种设计为安装在电池架中以管理电池架或单个电池包电能的控制器。BCU 执行以下任务：

• 与电池系统管理单元 (BSMU)、电池电源转换系统 (PCS)、高压监测单元 (HMU) 和电池监测单元 (BMU) 进行通信
• 估计电池包 或电池架 充电状态 (SOC) 和健康状态 (SOH)
• 电池组均衡、热管理、电源（继电器）开/关
• 限制充电和放电电流
• 给其他系统供电

HMU 是一个控制器，设计为安装在电池架中，用于监测电池架和单个电池包的状态，包括电池架电压、电流、单次或累积充放电、循环时间和绝缘。BCU 与 HMU 配合使用，可在电池架上实现全面的保护和能源管理功能。BMU 是一个控制器，设计安装在电池包中，用于在整个生命周期内监测每个电池电芯的电压和温度。

HMU 和 BMU 收集的信息传输到 BCU 以进行安全和能源管理。BMU 与 BCU 或 HMU 与 BCU 之间还需要稳健且快速的通信。CAN 传统上广泛用于实现通信的稳健性。CAN 结构控制器需要一个 MCU、一个数字隔离器和一个隔离式电源模块来运行 CAN 通信功能。电池包侧隔离式接口和 MCU 的高效功耗管理对于 CAN 至关重要。

菊花链是取代 CAN 的可选方案。与 CAN 接口相比，BMU、HMU 和 BCU 中只需要几个变压器。因此，菊花链在成本上优于 CAN，尤其是在大容量电池包应用中，因为在由许多 BMU 节点和 CAN 接口器件组成的大容量 BESS 中，成本是 CAN 结构的一个问题。绝缘要求也会增加成本。在 BMU、HMU 和 BCU 通信接口之间使用增强型绝缘会增加数字隔离器和隔离式电源模块的成本。

BCU 需要将 SOC、SOH 和电池架状态传输到 PCS 和 BSMU，以运行整个储能系统。CAN、RS-485 和以太网广泛用于通信接口。

BCU 会根据 SOC、SOH 和电池架状态（如电池架电流、电压、温度和绝缘状态）接通 或断开 继电器，以确保电池架安全。SOC 和 SOH 是根据电池包和电池架的准确信息估算的。

该设计侧重于大容量电池包应用和适用于住宅、商业和工业、电网 BESS 等领域的应用。该设计使用连接到 TMDSCNCD263（AM263x 通用 controlCARD 开发套件基于 Arm® 的 MCU）的连接器接口来测试所有功能。采用外部看门狗 TPS3823 来确保 MCU 可靠运行。该设计包含一个 TPS4H160 和两个 ULN2803 器件，用于接通 或断开 继电器线圈的电源，并对继电器线圈进行全面诊断和高精度电流检测。该设计包含三个 ISO1042 器件、一个 ISO1410 器件、一个 DP83826E 器件和两个用于通信接口的 BQ79600 器件。UCC12050 和 SN6505 器件用于隔离式电源。该设计还连接实时时钟 BQ32002 来记录数据，并连接湿度传感器 HDC3020 来监测电池架或电池包的冷凝状态。

图 3-17 显示系统图。

图 2-1 TIDA-010271 方框图

该设计使用 TMDSCNCD263 作为通用 MCU 来运行和测试所有功能，包括电源轨监控器、唤醒、继电器开关、看门狗 (WTD)、实时时钟 (RTC)、湿度传感器、隔离式 CAN、隔离式 RS-485、以太网和菊花链通信。

该设计使用 LMR51440 降压转换器将 24V 电源轨转换为 5V 电源轨，为 TMDSCNCD263、隔离式电源模块 UCC12050 和变压器驱动器 SN6505B 提供最大 4A 的电流。唤醒触发电路旨在使 LMR51440 从关断模式唤醒。TPS7A1601 为 BQ79600 提供 12V 电压以支持反向唤醒。TPS7B8813 用于将 5V 电源轨转换为 3.3V 电源轨，为 VIO 和外围器件供电。

该设计使用 I2C 总线连接外围器件，包括湿度传感器、RTC 和可选的隔离式高压 ADC 或电流 ADC。HDC3020 用于测量湿度，以评估 IP67 BESS 容器中结露的可能性。由纽扣电池供电的 BQ32002 用于为 MCU 生成本地时间。

CAN 和 RS 485 需要基本绝缘。UCC12050 和 ISO1042 器件用于实现隔离式 CAN 通信功能。SN6505B 和 ISO1410 器件用于实现隔离式 RS-485 通信功能。ISO1410 可支持高达 500Kbps 的数据速率。

该设计使用 TPS3823-33 进行定时监控，看门狗超时时间为 1.6s。

图 3-17 显示了 BCU 电源树。

图 2-2 BCU 电源树

BCU 的额定电压为 24V，范围为 18V 至 32V。24V 电源可由交流/直流模块或直流/直流模块提供，最小功率为 70W。

有两个 24V 输入电源路径（LV_24V 和 RY_24V）。LV_24V 用于为器件的所有控制功能供电。LM51440 用于将 LV_24V 转换为 5V，最大电流为 4A。5V 电源轨用于为 TMDCNCD263、UCC12050 和 SN6505B 提供电源电压。UCC12050 为隔离式 CAN 提供收发器侧 5V 电源电压。SN6505B、变压器和 TPS76350 为隔离式 RS-485 提供收发器侧 5V 电源电压。低压差 (LDO) TPS7A1601 将 LV_24V 转换为 12V。12V 电源轨可启用 BQ79600 的反向唤醒功能。LDO TPS7B8133 将 5V 转换为 3.3V。3.3V 电源轨用于为隔离式 CAN 或隔离式 RS-485、BQ32002、HDC3020 和 TPS3823 提供数字侧电源电压。RY_24V 用于独立于 LV_24V 为继电器线圈供电。

通过 EN 引脚唤醒 LMR51440 有两条唤醒路径。一条是使用 LV_24V 的按钮触发器，另一条是从 BQ79600-Q1 反向唤醒。当在电池包中检测到未屏蔽故障时，BQ79600-Q1 支持通过 INH 引脚自动唤醒主机。MCU 向 LMR51440 提供 IO 电压，并在唤醒触发电压波动时通过 EN 引脚保持 LMR51440。

表 2-1 显示了 IEC 60664-1-2020 对 1500V BESS 的绝缘要求。

BCU 与 PCS 或 BCU 与 BSMU 之间需要基本绝缘。海拔 4000m 时，最小电气间隙为 7.1mm，爬电距离为 8mm。海拔 5000m 时，最小电气间隙为 8.14mm，爬电距离为 8mm。该设计遵循海拔 4000m 的要求。对于 CAN，使用 UCC12050 和 ISO1042DWV。对于 RS-485，使用变压器 750315371 和 ISO1410DWR。

BCU 与 BMU 之间需要加强绝缘。最小电气间隙为 10.4mm，爬电距离为 16mm。为了满足最小电气间隙和爬电距离要求，需要使用用于菊花链的变压器或用于 CAN 的数字隔离器。

海拔超过 4000m 时，考虑使用更合适的器件或将器件串联起来。