瑞萨MCU助力中国新能源基建持续创新(下)

描述

 

 

 

瑞萨MCU应用于储能电池包

 

 

 

现在来讲储能电池包系统。刚才侧重在电能转换,如何从可再生能源或者从交流电网得到稳定的且电压可调的直流电。接下来侧重的是储能电池包在充放电过程中的电池管理。

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R7FA2L1AB3CFP/FM/FL(1xCAN)

  • ARM Cortex M23@48MHz

  • 低功耗:64uA/MHz,待机模式250nA

  • 1.6-5.5V,环境温度支持高达105°C

  • 1x CAN 接口

R7FA6M1AD3CFP/FB (2xCAN)

  • 高性能,ARM Cortex M4@120Mhz

  • 2.7-3.3v,环境温度支持高达105°C

  • 双CAN 接口

R7FA6M4AD3CFP/FB (2xCAN + 1 Ethernet)

  • 高性能和连接,ARM Cortex M33@200Mhz

  • 2.7-3.3v,环境温度支持高达105°C

  • 双 CAN 接口,以太网接口

R7FA6M3AF3CFB/FC (TFT)

  • 高性能, 带FPU的ARM Cortex M4 

  • 2.7-3.3v,环境温度支持高达105°C

  • 双 CAN 接口,TFT LCD,以太网接口

 

储能系统的应用场景大概有这么几类:

  • 户用储能:应用于家庭屋顶或者墙面,搭配光伏电池板使用清洁能源,为家庭设备供电;通过电池包的存储和输出,实现错峰用电,降低家庭用电成本。

  • 工商业储能:应用于工厂,办公楼,商场;耗电量大,对储能的功率和能量要求也更大。

  • 网侧储能:又分为【发电侧储能】和【配电侧储能】。发电侧,由于风电,太阳能发电的不稳定性,用储能电池包来减少弃风,弃光。配电侧则是为了调峰调频,稳定电网。

以上三个场景,能量和功率不同,但是储能电池包系统框架类似。

 

低压储能电池包,目前较多由16串磷酸铁锂电池组成,48V储能电池包。通常使用一颗电池采样前端AFE管理电池串,再通过SPI或者UART和电芯管理MCU连接,比如图中BMC所在的虚线区域,Battery management controller。AFE实现电池电流电压的采样,温度测量,电池被动均衡的执行,电池信息存储等功能,并提供过流保护,短路保护。电芯管理MCU,指挥AFE实现被动均衡,并通过AFE采集上报的信息做SoC和SoH算法处理,然后管理电池充放电逻辑,以及负载连接的检测。除此之外,还需要通过隔离通信接口与上位机通信。电芯管理MCU的供电通常由电池包总压引出来,通过DCDC降压变换后给到MCU,因此对MCU的低功耗有一定要求。在这个socket上,我们推荐瑞萨RA家族中低功耗系列的RA2L1,它集成CM23内核,运行在48MHz主频,采用瑞萨低功耗工艺设计和生产,运行模式下64uA/MHz,待机功耗250nA,非常适用于低功耗应用场景。在储能电池包应用中,所需的工业环境温度以及CAN总线,RA2L1都能提供很好的支持。并且片上闪存有128K和256K两种选择,引脚从48、64、80、100也提供了灵活的选择。

 

工商业储能电池包,甚至网侧储能,需要高电池电压,1500V这种。一方面,可以通过电池采样AFE的菊花链级联,实现电池的简单堆叠,如图中拓扑结构的上面这一种。现在的工商业储能实现中,相当一部分从以前的新能源汽车的动力电池包BMS应用迁移过来,习惯采用这种方式。还有一种拓扑结构,就是下面这种,每个AFE本身并没有菊花链或者不使用菊花链,而是每个AF有一个E对应的电芯控制MCU,这些MCU再通过CAN总线串在一起,然后再把多个电池包的信息汇总给中位机,即图里的BMU位置。BMU这个socket需要较高的处理性能,较大的片上memory资源,以及双CAN口。RA6M1是一个很好的选择。它集成CM4内核,运行在120MHz,具有512K的片上flahs和256K的片上RAM,支持105度环境温度。如果在双CAN接口基础上,还需要ETH接口,还可以升级到RA6M4,性能更高:CM33内核运行在200MHz,片上flash最高1M字节,还支持外扩memory。

 

 

主推芯片系列

 

 

 

在储能电池包应用中的主推的几个RA MCU的one-page在这里,分别是RA2L1、RA6M1、RA6M4,各自的片上资源和产品特性,大家可以通过下方图片快速查阅:

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参考设计:带菊花链级联的储能电池包

 

 

 

  • 支持40V ~ 118V 电池包 (20~28 电芯)

  • 可灵活适配不同的电芯个数

  • 充电器输入电压范围 40V ~ 120V

  • 支持多种保护功能:电池包的过温,过流,过压;单个电芯的过压、欠压

  • 采用低功耗MCU,RA2E1实现系统控制

  • 采用双通道MOSFET驱动ISL89411,控制充放电流

  • 采用ISL28025监测系统负载禾充电电流

  • 辅源部分采用高电压Buck控制器 RAA223012,LDO ISL80410

 

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瑞萨提供基于支持菊花链级联AFE的储能电池包设计参考。提供评估板,软件设计和原理图都硬件资料。

图中的评估板上,支持20~28个电芯,电池包电压可高达118V。是通过两个电池采样前端AFE级联而成。可灵活适配到不同的电芯个数。

该参考设计中采用了RA2E1,通过隔离485提供和上位机通信接口,通过SPI获取两颗AFE采集的28个电芯的电流电压数据。它控制双通道高速MOSFET驱动来管理电池的充放电,并在此过程中,监控电流,在检测到过流时切断MOSFET驱动。RA2E1的电源来自于串联电芯总压,经过Buck regulator和LDO降压到3.3V。

软件方面,RA2E1可以检测充电器和负载的连接或断开,过流,过压,过温的门限参数,电芯的数量都可以由用户来配置。

 

 

参考设计:UPS核心逆变模块

 

 

 

我们现在还有一个可用于小UPS的逆变器参考设计,也是基于RA6T2实现。它实现的是把输入直流电压48V逆变成220V交流电压。采用非隔离结构,通过前级的交错升压,把48V直流抬高到380V母线电压,再使用单极性逆变,变换成220V交流输出。输出功率1KW。这是主功率部分。

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驱动电路和电流电压采样电路,以及最小控制系统都由RA6T2控制:通过用户按键,选择系统输出模式:220V还是110V,OLED屏显示输入输出的电压、电流参数。温度采集和散热方面,使用温敏电阻,MOS管控制风扇开关

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除了以上控制功能,软件中也实现了输入软启动和各种保护功能,比如:输入欠压,输入过压保护,Boost输出过压,逆变器欠压保护,输出短路,输出过流保护,温度保护等。

 

系统的安全性

在光伏应用中,为了取得更高效的电能转换,业界对MCU提出了性能更高,控制实时性更强,系统更加稳定可靠的要求。在安全方面,随着光伏应用而大规模部署,尤其是户用光伏进入千家万户,系统的安全性更为重视,基于AI的实时拉弧检测能够更加全面、高效地对应这方面挑战。瑞萨在今年年中收购了RealityAI,进一步提升基于瑞萨MCU和MPU的端点设备上的智能水平。提供从数据搜集,到模型建立和调优,再到模型部署到MCU,端到端的AI解决方案和服务。

 

 

 

通过以上的分享,我们梳理了瑞萨MCU在新能源应用中的部署,一些成功案例以及相关设计方案。

我们还将围绕新能源应用,继续扩展MCU产品阵列,丰富设计方案,进一步助力中国工业新能源基建的迅猛发展。感谢大家对瑞萨MCU的持续关注。

以上方案,大家有兴趣,可以在后台留言,并留下您的联系方式。

 

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更多信息,敬请访问renesas.com

 


原文标题:瑞萨MCU助力中国新能源基建持续创新(下)

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