该参考设计是一种全面的电芯温度传感和高电芯电压精度锂离子 (Li-ion)、磷酸铁锂 (LiFePO4) 电池包（32 芯）。该设计可监控每个电芯的电压和电芯温度，并保护电池包以确保安全使用。该设计使用板载和非板载菊花链通信接口，以实现具有成本效益的堆叠式总线连接。得益于这些特性，该参考设计适用于高容量电池包应用。

• 25°C 时的电压精度为 ±1.5mV，无需校准
• 高达 100mA 的内部电芯均衡，可通过外部均衡电路提供更高容量的支持
• 通过多路复用器 (MUX) 实现全面的电芯温度检测
• 强大的可编程电池电芯和电池包保护
• 具有数据重新计时和环形架构的稳健菊花链通信
• 关断模式下为 15µA
• 可选隔离式通用异步接收器/发送器(UART)接口，用于微控制器和控制器局域网 (CAN) 通信

• 电池储能系统
• 其他工业电池包（10 节及以上）

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。商业和工业以及电网 BESS 包含多个机架，每个机架都包含多个堆叠的电池包。住宅 BESS 仅包含电池包。

电池包 是构成 BESS 的基本模块。电池包 由串联和并联的电池电芯组成。电芯通道数量从 12 到 64 不等。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，因此设计人员必须监测并保护电池包级别中的电池电芯。

电池管理单元 (BMU) 是一种控制器，用于在整个生命周期内监控电池包 中每个电池电芯的电压和温度。BMU 需要具备高测量精度来进行电压和温度监测。BMU 收集的信息将传输到机架级控制器电池控制单元 (BCU)，以进行安全和充电管理。BMU 和 BCU 之间还需要稳健且快速的通信。

出于安全、法规和成本方面的考虑，需要在 BESS 中使用磷酸铁锂电池。磷酸铁锂电池的充电或放电曲线在大约 85% 至 100% 的充电状态 (SOC) 范围内保持相当高的线性，但曲线在大约 10% 至大约 85% 的 SOC 范围内会突然发生斜率变化。在选择 BESS 设计中可接受的电压精度时，这一点非常重要。大多数情况下，测量精度需要为 3mV 至 5mV，以计算高 SOC 精度和宽放电深度 (DOD)。

对于通信接口，传统上广泛使用控制器局域网 (CAN) 来确保通信的稳健性。CAN 结构控制器需要一个微控制器单元 (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。

菊花链可以替代 CAN 设计。与 CAN 接口相比，BMU 中只需要几个变压器。因此，菊花链设计在成本上优于 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。绝缘要求还会提高成本，因为 BMU 和 BCU 通信接口之间所需的增强型绝缘要求采用数字隔离器和隔离式电源模块。

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。该设计使用两个 BQ79616 器件（电池监测器、平衡器和集成硬件保护器）来监测每个电芯的电压和 32 芯电池包的温度，并在电芯过压、电芯欠压和过热等情况下保护电池包。该设计包含四个具有 8:1 GPIO 扩展比的 TMUX1308 器件（用于测量多达 32 个电芯的温度）和一个用于串行外设接口 (SPI) 扩展的 TMUX1574 器件，以在外部电可擦除可编程只读存储器 (EEPROM) 中恢复电池包信息。该设计使用内部电芯均衡 (CB) 来获得每个电芯通道 100mA 的均衡电流，并保留一个外部 CB 电路，以处理潜在的更大均衡电流。

两个 BQ79616 器件之间的板载通信采用电容隔离式菊花链。BMU 和 BMU 或 BCU 之间的非板载通信采用变压器隔离式菊花链。该设计还为可用于 CAN 结构的非板载 MCU 保留了一个隔离式 UART 接口。

该设计使用两个 BQ79616 器件来监测每个电芯的电压和 32 芯电池包的温度，并保护电池包受电芯过压、电芯欠压和过热等所有异常情况的影响。在图 3-14 中，顶部 BQ79616 器件是 BQ79616-A2，而底部 BQ79616 器件是 BQ79616-A1。正向菊花链通信方向是从 BQ79616-A1 器件到 BQ79616-A2 器件。

每个 BQ79616 都有 8 个用于温度检测的 GPIO 引脚和 16 个用于电压检测的 VC 引脚。要在 GPIO 引脚较少的情况下监测所有 VC 通道的温度，需要使用两个 TMUX1308 多路复用器。多路复用器将一个 BQ79616 的温度检测功能从 8 个通道扩展到 16 个通道。TMUX1574 用于将 BQ79616 的 GPIO4 至 GPIO7 扩展到恢复电池包信息的外部 SPI EEPROM。

要对 TMUX1308 运行诊断，TMUX1308 的每个通道可以一次一个连接到 BQ79616 的 TSREF 输出引脚。TSREF 会根据 BCU 命令设置为高电压电平或低电压电平。然后，BCU 会轮询多路复用器通道，并确定连接到 TSREF 的多路复用器通道上报告的电压是否与 TSREF 引脚输出相匹配。该诊断方法可以显示多路复用器是卡在特定通道上，还是报告与错误通道对应的电压。

在该设计中，GPIO8 引脚保留用于湿度传感器接口。

BQ79616 上的 CVDD 引脚用于为 TMUX1308、TMUX1574、外部 EEPROM 和湿度传感器供电。由于 CVDD 提供恒定导通电源，因此当 BQ79616 处于关断模式时，该引脚可能导致外部负载漏电流。TPS22810 由 BQ79616 的 GPIO3 启用，并用于切换 CVDD 的电源输出，以防止意外漏电流。

BQ79616 支持与 MCU 的 UART 接口。ISO7742 放置在 BQ79616 和 MCU 之间，以隔离每个器件的 TX 和 RX 引脚。由于 BQ79616 的 TX 和 CVDD 引脚是恒定导通电源，因此这些引脚在关断模式下可能导致 ISO7742 漏电流。PMOS、TMUX1102 和光耦合器用于阻断漏电流。要启动 UART 通信，MCU 需要启用光耦合器以从 MCU 侧接通 PMOS 和 TMUX1102。

该设计还使用 BJT 网络来实现外部被动电芯均衡。内部被动电芯均衡电阻可支持高达 100mA 的均衡电流。内部被动电芯均衡电阻两端的电压用于接通外部 BJT，以实现内部被动电芯均衡。

为了隔离通信，该设计使用两个高压电容器来实现两个 BQ79616 之间的菊花链通信，并在 BMU 或 BCU 之间的菊花链通信中使用两个变压器。

图 3-14 展示了系统方框图。

图 2-1 TIDA-010271 方框图

图 2-2 展示了读取所有热敏电阻和电芯电压的策略。两个 TMUX1308 器件用于将 16 个负温度系数 (NTC) 热敏电阻多路复用至一个 BQ79616。BQ79616 使用三个 GPIO（GPIO5、GPIO6 和 GPIO7）来对 TMUX1308 的 8 个 NTC 热敏电阻通道进行寻址，并使用两个 GPIO（GPIO1 和 GPIO2）来从两个 TMUX1308 器件读取公共输出引脚。这意味着 5 个 GPIO 可以开关 16 个 NTC 热敏电阻。如果需要更多的热敏电阻，6 个 GPIO 可以开关 24 个 NTC 热敏电阻。

图 2-2 读取所有热敏电阻和电芯电压的策略

尽管可以使用 TMUX1308 或其他多路复用器轻松增加 NTC 热敏电阻的数量，但系统仍需要高效的开关策略，以在法规规定的安全时间内连接所有 16 个 NTC 热敏电阻。

NTC 热敏电阻开关的循环包括对所有堆叠的 BQ79616 GPIO5 至 GPIO7 引脚进行广播写入，以及对 TSREF 和 GPIO1 至 GPIO2 进行广播读取。该设计需要 8 个循环来从 16 个 NTC 热敏电阻读取温度数据。假设堆叠 BMU 的数量为 N，并且该设计使用 BQ79600 基础器件（确定 N 时不计入），则一个循环需要 $\left(14+4\times \left(2\times \mathrm{N\_BMU}-1\right)+60\right)\mathrm{ }\mathrm{\mu }\mathrm{s}$ 来对所有器件上的 GPIO5 至 GPIO7 引脚进行广播写入。对 TSREF 和 GPIO1 至 GPIO2 的广播读取需要 $\left(14+4\times \left(2\times \mathrm{N\_BMU}-1\right)+60+14+4\times \left(2\times \mathrm{N\_BMU}-1\right)+90\times 2\times \mathrm{N\_BMU}\right)\mathrm{ }\mathrm{\mu }\mathrm{s。}$

如果 BESS 机架电压为 1500V，并且一个机架由 470 个串联电池组成，则使用 15 个 BMU（30 个 BQ79616 器件）来监控所有电池电芯。执行一个循环来从堆叠的 BQ79616 器件读取温度数据需要 4.11ms，然后轮询堆叠中每个 BQ79616 上 16 个 NTC 热敏电阻中的 2 个。从堆叠中每个 BQ79616 上的所有 16 个 NTC 热敏电阻读取温度数据需要 32.880ms。在读取 NTC 热敏电阻数据后，需要 11.706ms 才能读取所有堆叠 BQ79616 器件的电芯电压 (VCELL) 数据。为 1500V 机架收集温度和 VCELL 数据所需的总时间约为 44ms，符合 GBT34131-2023 标准（VCELL 为 100ms，NTC 热敏电阻为 1s）。

图 2-3 电芯均衡电路

该设计使用内部场效应晶体管 (FET) 来实现 100mA 均衡电流。假设给定条件：初始 CB 电压为 3.5V，最终 CB 电压为 3.3V。为了在 CB 电压为 3.5V 时实现 100mA 均衡电流，这里使用 Rcb6 = Rcb5 = 15Ω。

Rcb5 两端的电压还为外部电芯均衡 NPN 晶体管提供偏置电压。Rcbe 值可以根据 CB 电压和所需的外部电芯均衡电流来确定。Rb 需要满足以下两个条件：

1. 条件 1：NPN 晶体管在饱和区工作，散热面积小： ic < 系数 × hfe × ib。hfe 是 NPN 晶体管的直流电流传输静态比。ic-hfe 曲线可在 NPN 晶体管数据表中找到。当 ic 等于所需的外部电芯均衡电流时，可以使用整个温度范围内相应的最大 hfe 来满足条件 1。该系数通常设置为 2，以使 NPN 晶体管保持在饱和区的一定安全裕度范围内。
2. 条件 2： UBE > UBE(on).UBE(on) 是基极-发射极导通电压。UBE(on) 必须小于 Rcb5 两端的电压并尽可能小，以便可以轻松选择 Rb。

该设计使用 300Ω 的 Rb，可支持高达 600mA 的外部电芯均衡电流。

对于电芯数量非常多的系统，BQ79616 器件可以串联堆叠来监测电池电芯。该设计使用两个 BQ79616 器件来监测多达 32 个电池电芯。底部 BQ79616 监测下方 16 个电池电芯，顶部 BQ79616 监测上方 16 个电池电芯。底部 BQ79616 器件与 BAT– 共用同一接地端，而顶部 BQ79616 将 16 芯电池组顶部电压作为接地基准。需要隔离，以便与顶部 BQ79616 器件通信。该设计在两个 BQ79616 器件之间使用电容隔离式菊花链，并将变压器隔离式菊花链连接到非板载 BMU 或 BCU。BMU 旨在支持正向和反向通信。从底部 BQ79616 到顶部 BQ79616 的通信方向为正向（北）。从顶部 BQ79616 到底部 BQ79616 的通信方向为反向（南）。图 3-14 展示了 BMU 的环网通信。

图 2-4 BMU 环网通信

BCU 使用 SPI 向 BQ79600 发出 ping。Ping 是用于唤醒和关断等简单操作的非通信信号。命令用于传输数据。BQ79600 能够在一个占空比内按南北方向从与堆叠的 BQ79616 接收音调并向其发送音调。考虑到 GBT34131-2023 标准，电压周期需要小于 100ms，温度周期需要小于 1 秒。