SCT2A10多串锂电池管理系统(BMS)应用设计

发布时间:2021-12-29
作者:Silicon Content
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1 多串锂电池管理系统(BMS

多串锂电池管理系统(BMS)位于电池包内部,与电池电芯组直接相连,负责监控电池芯状态,包含其电压、电流、温度等信息。同时,控制电池包与后级负载通断状态,保证锂电池包在安全状态下工作。

BMS一般由信号链路和电源两部分组成。信号链路部分由模拟前端AFENTC电阻、电流采样器完成对电池的采样监测;主控MCU负责依据电池采样监测信息进行系统控制,通讯接口通常为CAN接口负责与后端上位机通讯。电源部分包括降压DCDC转换器和功率开关管。降压DCDC负责从多串电池取输入电压转换成BMS系统内部供电电压。功率开关管主要职责在于依据MCU发出指令,将电池电芯与负载进行导通或者隔绝。


图1, 多串锂电池管理系统 (BMS)

2 SCT2A10在多串锂电池管理系统(BMS)中的应用设计

芯洲科技高输入电压范围,同步降压转换器SCT2A10为多串锂电池管理系统提供完整、高性能和高可靠性方案。SCT2A10输入电压范围为4.5V85V、输出电压可调,输出电流为0.6A的同步降压DCDC转换器。芯片内部集成了功率MOSFET管,导通电阻分别为上管800mΩ,下管500mΩ。采用COT谷值电流控制模式,内部集成回路补偿并减少外围器件数量,为用户简化了设计并降低了整机成本。SCT2A10的封装为ESOP-8,提供良好的散热。该芯片具备输出电压过压保护,开关谷值电流限制和过热保护,为实际应用中的安全性提供多重保障。

             图2, SCT2A10 BMS电源设计架构


下面以常见的12串锂电池管理系统(BMS)为例,详细解释SCT2A10设计具体步骤。图3SCT2A10典型应用原理图。


图3,12V输出原理图



设计目标参数


参数

目标

输入电压

48V (典型值)

输出电压

12V

最大输出电流

600mA

开关频率

500 KHz

系统启动电压

36V

系统关断电压

30V

输出电压纹波

100mV

负载动态70mA~530mA,变化率250mA/us

VOUTPP = 100mV

输入电压纹波

0.3% * VIN


1)  输出电压设置

SCT2A10通过配置分压反馈电阻桥来设置输出电压,输出电压与分压反馈电阻桥的配置关系

R_5=(V_OUT/V_REF-1)*R_6

(1)


针对12V输出电压:

R_5=(12V/0.8V-1)*R_6

(2)



   R5 R6只需要满足公式(2)的比例关系既可以完成输出12V的设置。但是由于该分压电阻桥与12V输出直接相连,支路通过电流为:

I=12/(R_5+R_6 )

(3)


       因此,分压电阻桥等效阻值过小,会导致支路通过电流偏大,影响整体转换效率;等效阻值过大,支路通过电流过小易遭受干扰,导致整体电路工作不稳定。推荐R6选择10K~30K之间常见阻值,这里选用20K

R6=20KΩ,R6=280K

为了增强系统抗噪声能力和负载动态响应速度,建议在分压电阻桥与FB管脚之间加入一个2K电阻R4,与R5并联一颗前馈电容C8 100p

R6=20KΩ,R5=280KΩ,R4=2KΩ,C8=100p

2)  频率设置

SCT2A10频率设置通过RT管脚对地接入频率设置电阻完成,频率设置电阻值和频率的关系如下:

R5KΩ=fsw(KHz)

(4)


针对500KHz fsw, R5=500KΩ,选取E-96常见电阻表中常见阻值:

R5=499KΩ

3)  电感选择

在做电感选择的时候需要考虑很多因素,包括电感量,饱和电流,均方根电流,直流寄生电阻等,这些因素通常互相制约。例如,较大的电感量带来较小的电感电流纹波,提供较小的输出电压纹波,但是较大的电感量通常电感体积大、饱和电流小  和直流寄生电阻大为代价。所以经验上电感的选择从确定电感电流纹波(ILPP)为切入点,ILPP通常选输出最大电流的20~50%的经验值。

电感量L选择:

L=(V_OUT*(V_IN-V_OUT))/(V_IN*I_LPP*f_SW)

(5)

                              

由于电感电流纹波随输入电压变化,通常使用最大输入电压来确定最小电感量,以此来确定电感量的下线。公式如下:

L_MIN=V_OUT/(f_SW*LIR*I_(OUT(max)) )*(1-V_OUT/V_(IN(max)) )

(6)


因此:

VOUT=12V,VIN(MAX)=72V, LIR=40%,IOUT_MAX==600mA, fsw=500kHz

根据公式(6):

LMIN=83uH

在电感额定电流和电感饱和电流,尤其是电感饱和电流选择时,一定要选择饱和电流大于电路输出峰值电流(ILPEAK),同时也要大于输出均方根电流(ILRMS)

I_LPEAK=I_(OUT_MAX)+I_LPP/2

(7)

I_LRMS=√((I_(OUT_MAX))^2+1/12*〖〖(I_LPP)^2)

(8)


SCT2A10采用谷底电流检测方式,其过流保护0.8A为谷点电流。在做电感额定电流和饱和电流选择的时候,通常以过流保护点为最大输出电流。

由此计算得 ILPEAK=0.96A,ILRMS=0.805A

本设计推荐WE 7447709820,电感量82uH,额定电流2.75A,饱和电流3.4A

L=82uH

4)  输出电容选择

输出电容值决定电路静态输出电压纹波和动态响应性能。

静态输出电压纹波由两种原因造成:一是电感纹波电流通过输出电容等效寄生电阻(ESR);另一个是电感纹波电流对输出电容进行充电和放电。陶瓷电容ESR很小,因此在陶瓷电容为输出电容的电路中,静态输出电压纹波主要由上述第二种原因造成。

C_OUT=(V_OUT*(V_IN-V_OUT))/(8*f_SW