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（52 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。该设计支持菊花链和控制器局域网 (CAN) 接口，用于高达 1500V 电池储能系统的可堆叠通信。得益于这些特性，该参考设计适用于高容量电池包应用。

• –40°C 至 85°C 时的电压精度为 ±2.5mV，无需校准
• 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 7μA
• 通过菊花链和高达 1500V 的 CAN 接口支持堆叠式架构
• 与汇流条兼容或无汇流条连接

• ESS – 电池管理系统 (BMS)

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，也适用于住宅、商业和工业、电网 BESS 等领域的应用。该设计使用四个 BQ78706 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 52 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。该设计包含八个采用 8:1 通用输入/输出 (GPIO) 扩展比的 TMUX1308 器件，可测量多达 52 节电芯。该设计使用内部电芯均衡 (CB) 来获得每个电芯通道的 100mA 均衡电流。

BQ78706 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。该设计还结合了 CAN 接口和 MCU 以实现可堆叠通信。

该设计使用四个 BQ78706 器件来监测每个电芯的电压、监测 52 芯电池包的温度，以及保护电池包免受电芯过压、电芯欠压和过热等所有异常情况的影响。在图 2-1 中，顶部 BQ78706 器件是 BQ78706#4，而底部 BQ78706 器件是 BQ78706#1。正向菊花链通信方向是从 BQ78706#1 器件到 BQ78706#2 器件。

每个 BQ78706 都有 11 个用于温度检测的 GPIO 引脚和 14 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。这些多路复用器将一个 BQ78706 的温度检测能力从 11 个通道扩展到 20 个通道，包括 14 个与多路复用相关的热敏电阻、2 个恒定电阻和 6 个独立热敏电阻。

要对 TMUX1308 运行诊断以防止多路复用器进入失效模式，将每个 TMUX1308 的一个通道连接到恒定电阻器。这个恒定电阻器超出了热敏电阻范围，可进行合理性检查。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。

BQ78706 上的 AVDD 引脚用于为 TMUX1308 供电。由于可通过将 RX 短接至 AVDD 来将 AVDD 配置为关断状态，因此可以实现低关断电流，并且不会对外部多路复用器件产生漏电流。当唤醒 BQ78706 时，AVDD 为所有外部负载提供 20mA 容量，这对于多路复用器或其他器件已足够。

内部被动电芯均衡电阻可支持每个通道高达 100mA 的均衡电流。可以使用奇数和偶数电芯均衡来实现平均 50mA 均衡电流。

为了隔离通信，该设计使用两个电容器来实现两个 BQ78706 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 1500V 增强型变压器。这个菊花链通信支持环形通信结构，可以减小菊花链通信引起的间隙电流。

除了菊花链外，此电路板中还设计了 CAN 接口和 MCU。MCU MSPM0G3519 用于从四个 BQ78706 器件收集数据并将数据传输至 CAN 总线。BQ78706 支持通过通用异步接收器/发送器 (UART) 接口或串行外设接口 (SPI) 连接至 MCU。此设计使用 UART。两级增强型隔离用于实现 UL1973 和 IEC 62477 所要求的 1500V 绝缘标准爬电距离。增强型隔离式电源模块为 UCC33421，数字隔离器为 ISO7731，用于在 BQ78706 和 MSPM0G3519 之间转换 RX、TX 和 FAULT 信号。为了提高 CAN 接口通信的稳定性，使用 ISO6721 和 UCC33420 实现功能绝缘。

电源轨使用 LM51406 从最大 36VDC 转换为稳定的 5VDC，然后将 5V 电压输入到隔离式电源模块。

图 2-1 展示了系统方框图。

图 2-1 TIDA-010279 BMU 方框图