瑞薩MCU應(yīng)用于儲能電池包

現(xiàn)在來講儲能電池包系統(tǒng)。剛才側(cè)重在電能轉(zhuǎn)換，如何從可再生能源或者從交流電網(wǎng)得到穩(wěn)定的且電壓可調(diào)的直流電。接下來側(cè)重的是儲能電池包在充放電過程中的電池管理。

R7FA2L1AB3CFP/FM/FL（1xCAN）

• ARM Cortex M23@48MHz

• 低功耗：64uA/MHz，待機模式250nA

• 1.6-5.5V，環(huán)境溫度支持高達(dá)105°C

• 1x CAN 接口

R7FA6M1AD3CFP/FB （2xCAN）

• 高性能，ARM Cortex M4@120Mhz

• 2.7-3.3v，環(huán)境溫度支持高達(dá)105°C

• 雙CAN 接口

R7FA6M4AD3CFP/FB （2xCAN + 1 Ethernet）

• 高性能和連接，ARM Cortex M33@200Mhz

• 2.7-3.3v，環(huán)境溫度支持高達(dá)105°C

• 雙 CAN 接口，以太網(wǎng)接口

R7FA6M3AF3CFB/FC （TFT）

• 高性能, 帶FPU的ARM Cortex M4

• 2.7-3.3v，環(huán)境溫度支持高達(dá)105°C

• 雙 CAN 接口，TFT LCD，以太網(wǎng)接口

儲能系統(tǒng)的應(yīng)用場景大概有這么幾類：

• 戶用儲能：應(yīng)用于家庭屋頂或者墻面，搭配光伏電池板使用清潔能源，為家庭設(shè)備供電；通過電池包的存儲和輸出，實現(xiàn)錯峰用電，降低家庭用電成本。

• 工商業(yè)儲能：應(yīng)用于工廠，辦公樓，商場；耗電量大，對儲能的功率和能量要求也更大。

• 網(wǎng)側(cè)儲能：又分為【發(fā)電側(cè)儲能】和【配電側(cè)儲能】。發(fā)電側(cè)，由于風(fēng)電，太陽能發(fā)電的不穩(wěn)定性，用儲能電池包來減少棄風(fēng)，棄光。配電側(cè)則是為了調(diào)峰調(diào)頻，穩(wěn)定電網(wǎng)。

以上三個場景，能量和功率不同，但是儲能電池包系統(tǒng)框架類似。

低壓儲能電池包，目前較多由16串磷酸鐵鋰電池組成，48V儲能電池包。通常使用一顆電池采樣前端AFE管理電池串，再通過SPI或者UART和電芯管理MCU連接，比如圖中BMC所在的虛線區(qū)域，Battery management controller。AFE實現(xiàn)電池電流電壓的采樣，溫度測量，電池被動均衡的執(zhí)行，電池信息存儲等功能，并提供過流保護(hù)，短路保護(hù)。電芯管理MCU，指揮AFE實現(xiàn)被動均衡，并通過AFE采集上報的信息做SoC和SoH算法處理，然后管理電池充放電邏輯，以及負(fù)載連接的檢測。除此之外，還需要通過隔離通信接口與上位機通信。電芯管理MCU的供電通常由電池包總壓引出來，通過DCDC降壓變換后給到MCU，因此對MCU的低功耗有一定要求。在這個socket上，我們推薦瑞薩RA家族中低功耗系列的RA2L1，它集成CM23內(nèi)核，運行在48MHz主頻，采用瑞薩低功耗工藝設(shè)計和生產(chǎn)，運行模式下64uA/MHz，待機功耗250nA，非常適用于低功耗應(yīng)用場景。在儲能電池包應(yīng)用中，所需的工業(yè)環(huán)境溫度以及CAN總線，RA2L1都能提供很好的支持。并且片上閃存有128K和256K兩種選擇，引腳從48、64、80、100也提供了靈活的選擇。

工商業(yè)儲能電池包，甚至網(wǎng)側(cè)儲能，需要高電池電壓，1500V這種。一方面，可以通過電池采樣AFE的菊花鏈級聯(lián)，實現(xiàn)電池的簡單堆疊，如圖中拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的上面這一種。現(xiàn)在的工商業(yè)儲能實現(xiàn)中，相當(dāng)一部分從以前的新能源汽車的動力電池包BMS應(yīng)用遷移過來，習(xí)慣采用這種方式。還有一種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，就是下面這種，每個AFE本身并沒有菊花鏈或者不使用菊花鏈，而是每個AF有一個E對應(yīng)的電芯控制MCU，這些MCU再通過CAN總線串在一起，然后再把多個電池包的信息匯總給中位機，即圖里的BMU位置。BMU這個socket需要較高的處理性能，較大的片上memory資源，以及雙CAN口。RA6M1是一個很好的選擇。它集成CM4內(nèi)核，運行在120MHz，具有512K的片上flahs和256K的片上RAM，支持105度環(huán)境溫度。如果在雙CAN接口基礎(chǔ)上，還需要ETH接口，還可以升級到RA6M4，性能更高：CM33內(nèi)核運行在200MHz，片上flash最高1M字節(jié)，還支持外擴memory。

主推芯片系列

在儲能電池包應(yīng)用中的主推的幾個RA MCU的one-page在這里，分別是RA2L1、RA6M1、RA6M4，各自的片上資源和產(chǎn)品特性，大家可以通過下方圖片快速查閱：

參考設(shè)計：帶菊花鏈級聯(lián)的儲能電池包

• 支持40V ~ 118V 電池包 (20~28 電芯)

• 可靈活適配不同的電芯個數(shù)

• 充電器輸入電壓范圍 40V ~ 120V

• 支持多種保護(hù)功能：電池包的過溫，過流，過壓；單個電芯的過壓、欠壓

• 采用低功耗MCU，RA2E1實現(xiàn)系統(tǒng)控制

• 采用雙通道MOSFET驅(qū)動ISL89411，控制充放電流

• 采用ISL28025監(jiān)測系統(tǒng)負(fù)載禾充電電流

• 輔源部分采用高電壓Buck控制器 RAA223012，LDO ISL80410

瑞薩提供基于支持菊花鏈級聯(lián)AFE的儲能電池包設(shè)計參考。提供評估板，軟件設(shè)計和原理圖都硬件資料。

圖中的評估板上，支持20~28個電芯，電池包電壓可高達(dá)118V。是通過兩個電池采樣前端AFE級聯(lián)而成?？伸`活適配到不同的電芯個數(shù)。

該參考設(shè)計中采用了RA2E1，通過隔離485提供和上位機通信接口，通過SPI獲取兩顆AFE采集的28個電芯的電流電壓數(shù)據(jù)。它控制雙通道高速MOSFET驅(qū)動來管理電池的充放電，并在此過程中，監(jiān)控電流，在檢測到過流時切斷MOSFET驅(qū)動。RA2E1的電源來自于串聯(lián)電芯總壓，經(jīng)過Buck regulator和LDO降壓到3.3V。

軟件方面，RA2E1可以檢測充電器和負(fù)載的連接或斷開，過流，過壓，過溫的門限參數(shù)，電芯的數(shù)量都可以由用戶來配置。

參考設(shè)計：UPS核心逆變模塊

我們現(xiàn)在還有一個可用于小UPS的逆變器參考設(shè)計，也是基于RA6T2實現(xiàn)。它實現(xiàn)的是把輸入直流電壓48V逆變成220V交流電壓。采用非隔離結(jié)構(gòu)，通過前級的交錯升壓，把48V直流抬高到380V母線電壓，再使用單極性逆變，變換成220V交流輸出。輸出功率1KW。這是主功率部分。

驅(qū)動電路和電流電壓采樣電路，以及最小控制系統(tǒng)都由RA6T2控制：通過用戶按鍵，選擇系統(tǒng)輸出模式：220V還是110V，OLED屏顯示輸入輸出的電壓、電流參數(shù)。溫度采集和散熱方面，使用溫敏電阻，MOS管控制風(fēng)扇開關(guān)

除了以上控制功能，軟件中也實現(xiàn)了輸入軟啟動和各種保護(hù)功能，比如：輸入欠壓，輸入過壓保護(hù)，Boost輸出過壓，逆變器欠壓保護(hù)，輸出短路，輸出過流保護(hù)，溫度保護(hù)等。

系統(tǒng)的安全性

在光伏應(yīng)用中，為了取得更高效的電能轉(zhuǎn)換，業(yè)界對MCU提出了性能更高，控制實時性更強，系統(tǒng)更加穩(wěn)定可靠的要求。在安全方面，隨著光伏應(yīng)用而大規(guī)模部署，尤其是戶用光伏進(jìn)入千家萬戶，系統(tǒng)的安全性更為重視，基于AI的實時拉弧檢測能夠更加全面、高效地對應(yīng)這方面挑戰(zhàn)。瑞薩在今年年中收購了RealityAI，進(jìn)一步提升基于瑞薩MCU和MPU的端點設(shè)備上的智能水平。提供從數(shù)據(jù)搜集，到模型建立和調(diào)優(yōu)，再到模型部署到MCU，端到端的AI解決方案和服務(wù)。

通過以上的分享，我們梳理了瑞薩MCU在新能源應(yīng)用中的部署，一些成功案例以及相關(guān)設(shè)計方案。

我們還將圍繞新能源應(yīng)用，繼續(xù)擴展MCU產(chǎn)品陣列，豐富設(shè)計方案，進(jìn)一步助力中國工業(yè)新能源基建的迅猛發(fā)展。感謝大家對瑞薩MCU的持續(xù)關(guān)注。

以上方案，大家有興趣，可以在后臺留言，并留下您的聯(lián)系方式。

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