CN218867959U - 一种应用于通信基站的磷酸铁锂电池管理系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种应用于通信基站的磷酸铁锂电池管理系统，包括微控制器(CPU)、模拟前端(AFE)、软件下载电路、电源转换电路、实时时钟(RTC)、地址拨码电路、电量显示电路、CAN通信电路、RS485通信电路、开关控制电路、铁电存储器(FRAM)、故障检测电路、电流采集电路以及接口电路，本实用新型提高了数据采集精度和运算处理能力，通过优化电池均衡管理算法，保证了电池整体一致性，具有故障报告和历史数据记录功能，通过外扩大容量铁电存储器，增加带纽扣电池的实时时钟功能，使基站备用电源能够存储大量的履历数据和实时数据，在电池出现异常时，可快速准确地进行故障定位与排查，且支持多种通信协议，兼容性广，可满足基站复杂的使用要求。

Description

一种应用于通信基站的磷酸铁锂电池管理系统

技术领域

本实用新型涉及新能源领域和电力电子技术领域，特别涉及一种应用于通信基站的磷酸铁锂电池管理系统。

背景技术

日前，中国电信、中国联通宣布，将在100个以上主要城市开通5G新通话超清视频语音通话服务(VoNR)，中国移动也表示将试用VoNR。公开数据显示，目前中国累计建成开通5G基站155.9万个，5G网络已覆盖全国所有地级市和县城城区。5G是伴随着高带宽、高速率、低时延、大连接能力的市场需求应运而生，5G基站的电能消耗几乎是4G基站的2到3倍，而磷酸铁锂电池高能量、长寿命、低成本、高安全的优异特性正契合这一需求，已广泛替代铅酸蓄电池用作基站的备用电源，在交流市电掉电时提供应急供电，确保机房负载不断电。

图1为通信基站供电系统典型拓扑结构图，该结构来自于通信行业标准《YDB032-2009通信用后备式锂离子电池组》，功能上主要包括交流市电、整流模块、电池组模块、电池管理系统(BMS)和负载，其中电池组模块由15～16串磷酸铁锂电池组合构成-48V的直流母线，电池容量根据基站总用电功率和备电时间来决定，主流的配置有50Ah/100Ah/200Ah/300Ah等几种；BMS的作用是实时采样电池的电压、电流、温度等外特性参数，并通过适当的软件算法以实现电池剩余电量(SOC)、健康状况(SOH)、功率承受能力(SOP)等内部状态的估算与监控，在正确获取电池的状态后进行有效的热管理、充放电管理、漏电监测和故障报警等操作，保护电池不受伤害。

然而，目前5G基站现有的电池管理系统(BMS)只是实现了电池保护的基本功能，无法满足当前5G基站智慧新能源节能管理与储供能系统复杂的功能需求，比如高精度数据采集、均衡管理、故障报告和历史数据记录，以及交互通信的兼容性等，如果不解决好这些问题，势必会影响基站的响应速度和备用电源的不间断切换功能，甚至会导致在电池出现异常时，无法进行故障的定位与排查，严重干扰基站备用电源保供电功能的发挥。

鉴于此，本申请提供一种具有高精度数据采集能力，能有效均衡管理电池一致性，且具有故障报告和历史数据记录功能，以及兼容多种通信协议的基站电池管理系统。

实用新型内容

本实用新型的主要目的是提出一种应用于通信基站的磷酸铁锂电池管理系统，旨在解决目前5G基站现有的电池管理系统只能实现电池基本的保护功能，而无法满足目前5G基站智慧新能源节能管理与储供能系统复杂功能需求的弊端的技术问题。

为实现上述目的，本实用新型提出的应用于通信基站的磷酸铁锂电池管理系统，包括微控制器(CPU)、模拟前端(AFE)、软件下载电路、电源转换电路、实时时钟(RTC)、地址拨码电路、电量显示电路、CAN通信电路、RS485通信电路、开关控制电路、铁电存储器(FRAM)、故障检测电路、电流采集电路以及接口电路，所述模拟前端(AFE)、软件下载电路、电源转换电路、实时时钟(RTC)、地址拨码电路、电量显示电路、CAN通信电路、RS485通信电路、开关控制电路、铁电存储器(FRAM)、故障检测电路、电流采集电路以及接口电路均分别与所述微控制器(CPU)电连接，所述模拟前端(AFE)包括电压采集电路、温度采集电路以及均衡管理电路，所述模拟前端(AFE)用于对电池的电压和温度的实时监控；所述电源转换电路用于采集电池总压，并转换为各部分功能电路所需要的电源电压；所述电流采集电路用于对充放电电流进行采样；所述CAN通信电路用于BMS和逆变器通信；所述RS485通信电路用于BMS之间的级联通讯；所述铁电存储器(FRAM)用于存储故障报告、事件顺序记录以及存储实时的电池遥测数据及继电器开关状态，便于事后分析BMS因何种原因导致异常下电。

优选地，所述微控制器(CPU)采用STM32F103VCT6微控制器芯片。

优选地，所述模拟前端(AFE)采用BQ76PL455-Q1芯片。

优选地，所述实时时钟(RTC)还包括CR1220纽扣电池，所述CR1220纽扣电池与所述实时时钟(RTC)电连接。

采用本实用新型的技术方案，具有以下有益效果：

1、本实用新型提出的一种基站电池管理系统，通过采用高可靠性微处理器及高精度模拟前端芯片，提高了数据采集精度和运算处理能力，并且通过优化电池均衡管理算法，保证了电池整体一致性；

2、本实用新型提出的一种基站电池管理系统，支持故障报告和历史数据记录功能，通过外扩大容量铁电存储器，增加带纽扣电池的实时时钟功能，使基站备用电源能够存储大量的履历数据和实时数据，在电池出现异常时，可以快速准确地进行故障定位与排查；

3、本实用新型提出的一种基站电池管理系统，同时支持CAN总线和RS485总线通信协议，可与基站其它设备和动环监控系统互联互通，确保了备用电源保供电功能的充分发挥。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图示出的结构获得其他的附图。

图1为通信基站供电系统典型拓扑结构图；

图2为本实用新型提出的一种应用于通信基站的磷酸铁锂电池管理系统的电路结构图；

图3为本实用新型提出的一种应用于通信基站的磷酸铁锂电池管理系统的微控制器(CPU)电路原理图；

图4为本实用新型提出的一种应用于通信基站的磷酸铁锂电池管理系统的模拟前端(AFE)的主芯片部分电路原理图；

图5为本实用新型提出的一种应用于通信基站的磷酸铁锂电池管理系统的模拟前端(AFE)的调压电源部分电路原理图；

图6为本实用新型提出的一种应用于通信基站的磷酸铁锂电池管理系统的模拟前端(AFE)的故障回馈和激活唤醒部分电路原理图；

图7为本实用新型提出的一种应用于通信基站的磷酸铁锂电池管理系统的模拟前端(AFE)的通信控制部分电路原理图；

图8为本实用新型提出的一种应用于通信基站的磷酸铁锂电池管理系统的模拟前端(AFE)的NTC温感部分电路原理图；

图9为本实用新型提出的一种应用于通信基站的磷酸铁锂电池管理系统的模拟前端(AFE)的电池均衡部分电路原理图；

图10为本实用新型提出的一种应用于通信基站的磷酸铁锂电池管理系统的模拟前端(AFE)的电池均衡管理软件算法流程图；

图11为本实用新型提出的一种应用于通信基站的磷酸铁锂电池管理系统的电源转换电路原理图；

图12为本实用新型提出的一种应用于通信基站的磷酸铁锂电池管理系统的电流采集电路原理图；

图13为本实用新型提出的一种应用于通信基站的磷酸铁锂电池管理系统的CAN通信电路和RS485通信电路原理图；

图14为本实用新型提出的一种应用于通信基站的磷酸铁锂电池管理系统的铁电存储器电路原理图；

图15为本实用新型提出的一种应用于通信基站的磷酸铁锂电池管理系统的地址拨码电路和实时时钟(RTC)原理图；

图16为本实用新型提出的一种应用于通信基站的磷酸铁锂电池管理系统的软件下载电路原理图；

图17为本实用新型提出的一种应用于通信基站的磷酸铁锂电池管理系统的电量显示电路原理图；

图18为本实用新型提出的一种应用于通信基站的磷酸铁锂电池管理系统的接口电路原理图。

本实用新型目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。

具体实施方式

下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

需要说明，本实用新型实施例中所有方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后……)仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。

另外，各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本实用新型要求的保护范围之内。

本实用新型提出一种应用于通信基站的磷酸铁锂电池管理系统。

如图2所示，在本实用新型的一实施例中，该应用于通信基站的磷酸铁锂电池管理系统，包括微控制器(CPU)101、模拟前端(AFE)102、软件下载电路103、电源转换电路104、实时时钟(RTC)105、地址拨码电路106、电量显示电路107、CAN通信电路108、RS485通信电路109、开关控制电路110、铁电存储器(FRAM)111、故障检测电路112、电流采集电路113以及接口电路114，所述模拟前端(AFE)、软件下载电路、电源转换电路、实时时钟(RTC)、地址拨码电路、电量显示电路、CAN通信电路、RS485通信电路、开关控制电路、铁电存储器(FRAM)、故障检测电路、电流采集电路以及接口电路均分别与所述微控制器(CPU)电连接，所述模拟前端(AFE)102包括电压采集电路1021、温度采集电路1022以及均衡管理电路1023，所述模拟前端(AFE)用于对电池的电压和温度的实时监控；所述电源转换电路用于采集电池总压，并转换为各部分功能电路所需要的电源电压；所述电流采集电路用于对充放电电流进行采样；所述CAN通信电路用于BMS和逆变器通信；所述RS485通信电路用于BMS之间的级联通讯；所述铁电存储器(FRAM)用于存储故障报告、事件顺序记录以及存储实时的电池遥测数据及继电器开关状态，便于事后分析BMS因何种原因导致异常下电。

各部分功能电路工作原理具体描述如下：

(1)微控制器(CPU)

为满足高速数据处理和SOC、SOH、SOP等核心算法的需求，本实用新型选择意法半导体基于Cortex-M3内核的32位ARM微控制器STM32F103VCT6，该款CPU运行主频高达72MHz，内嵌2个12位AD转换器，可用于充放电电流的模拟采样，无需外扩AD转换器，极大地节省了硬件成本；同时包含SPI、I2C、USART、CAN等通信接口，可以方便连接、控制存储器芯片和AFE芯片，以及支持RS485总线和CAN总线通信功能；CPU内部含有256K字节的FLASH存储空间，可划分为引导加载(BootLoader)程序区、逻辑应用程序区和底层驱动程序区，各部分程序有机结合，协同工作；另外，该款CPU还支持多种省电模式，允许设计低功耗应用，可以最大程度的降低系统功耗，延长电池的备电时间，CPU电路如图3所示。

(2)模拟前端(AFE)

电池的电压和温度是其内部电化学反应的外在表现，对电压和温度的实时监控能确保电池处于不失控的安全状态。本实用新型选择TI公司的高可靠集成式电池监测和保护器件BQ76PL455-Q1芯片，该AFE芯片可以采集16节电池电压以及8个NTC温感，同时还包含6个GPIO端口作为数字输入和地址编码使用，并可通过异步串行通信接口(UART)与主机进行通信。该AFE芯片内部AD转换器为14位分辨率，模拟参考电平为5V，可识别最小的电压单位是0.3mV，因此可提供高精度的数据采集，具体电路原理图如图4～图9所示。

图4为模拟前端电路主芯片部分电路原理图，是实现电池电压和温度采样的主体；图5为模拟前端电路调压电源部分，是典型的串联反馈式稳压电路，用来将电池总压转换为AFE芯片内部所需要的5V模拟电源和5V数字电源，为内部AD转换器和数字输入电路提供参考电平和供电电源；图6为模拟前端电路故障回馈和激活唤醒部分，当AFE芯片发生电压、温度采样错误，或自检失败，均会通过故障引脚“FAULT_N”输出一个低电平，并经由光耦电路传递到CPU；当需要将AFE芯片关机或复位时，可将唤醒引脚“WAKEUP”置低电平，反之便可激活AFE芯片，使其处于正常工作状态，AFE芯片的工作状态可通过CPU进行控制；图7为模拟前端电路通信控制部分，AFE芯片的时序控制逻辑及数据读取需要CPU进行操作，CPU通过UART接口与AFE芯片进行通信，因为电池属于高压部分，所有与AFE芯片的通信与控制均需要采用磁隔或光隔；图8为模拟前端电路NTC温感部分，AFE芯片最多可提供8个NTC温感采样通道；图9为模拟前端电路电池均衡部分，AFE芯片提供了MOS管的驱动功能，外接适当的MOS管即可构成电池的被动均衡电路，本实用新型选择NMOS管2V7002KT1G，漏源电流能力为380mA，均衡电阻选择33Ω，最大均衡电流可达110mA，通过优化均衡算法能达到良好的电池一致性，本实用新型采用的均衡算法流程如图10所示，可将电池压差控制在10mV之内。

(3)电源转换电路

本实用新型提出的基站电池管理系统无需外部电源供电，而是取电于所采集电池总压，并通过DC/DC开关电源芯片和线性调压电路转换为各部分功能电路所需要的电源电压，比如数字3.3V给CPU芯片供电，模拟3.3V给运放调理电路供电，15V给充放电MOS开关管提供驱动电源，5V提供给CAN总线和RS485总线通信隔离电源，2.5V作为AD转换的参考电平，电源转换电路如图11所示。

(4)电流采集电路

SOC计算以及电流的告警、保护判断都是以充放电电流作为基础，因此电流的采样十分重要，本实用新型选择微功耗、低失调电压、低偏置电流和低温漂的单电源运放ISL28133FHZ-T7构成电流采样放大电路，当电流经过MOS开关管阵列时，MOS开关管的漏源导通电阻Rds(on)就会将电流信号转换为电压信号，经由放大调理电路后进入CPU内部的AD转换器进行模数转换。

(5)CAN通信电路和RS485通信电路

CAN通信电路和RS485通信电路如图13所示，均采用磁耦隔离芯片ADUM1201ARZ进行电气隔离，防止外部电路及信号对通信产生干扰。CAN总线用于BMS和逆变器通信，RS485总线用于BMS之间的级联通讯，满足了基站交互通信的兼容性要求。

(6)铁电存储器(FRAM)

本实用新型外扩铁电存储器，电路如图14所示，作用有两个方面：第一，存储故障报告和事件顺序记录。故障报告指的是电池状况的异常以及基站设备的异常，比如单体欠压告警或跳闸、过温告警或跳闸、通信异常、定值/配置校验异常等等；事件顺序记录(SOE)指的是基站设备或器件发生遥信变位如开关变位时，BMS会自动记录下变位时间、变位原因、开关跳闸时相应的遥测量值(如相应的电池电压、充放电电流、温度等)，形成SOE记录，以便于事后分析，故障报告和SOE存储格式如表1所示；第二，存储实时的电池遥测数据及继电器开关状态，便于事后分析BMS因何种原因导致异常下电。

铁电存储器具有掉电数据不丢失特性，以及读写无次数限制的优点，非常适合于读写频繁的场合。BMS存储“故障报告”、“事件顺序记录”和“实时数据”三方面的数据信息，将铁电存储区划分为3块，分别存储这几方面的数据，各块数据存满后，再移送到CPU的FLASH区域，这样就避免了对微处理器FLASH区域的频繁操作，保证了数据可靠性及CPU的寿命。

表1故障报告和SOE存储格式

(7)地址拨码电路和实时时钟

根据基站总用电功率和备电时间的规划，在实际应用中可能需要采取多组备用电源以并联的方式来扩充电池容量，这样每组备用电源都需要有单独的地址，以便在通信的时候能够进行区分，地址采用拨码开关以拨码的形式来实现；另外，为了便于故障分析，实时查询数据以及记录相关事件，BMS需要有实时时钟(RTC)的功能，本实用新型采用3V纽扣电池CR1220来对RTC供电，确保在系统掉电时RTC能够继续工作，时间不丢失，电路如图15所示。

(8)软件下载电路

本实用新型提出的基站BMS兼容两种软件升级模式，既可以通过JTAG调试口在线下载程序，又可以通过串口UART进行程序下载，方便快捷，电路如图16所示。

(9)电量显示电路

本实用新型提出的基站BMS采用安时积分法加OCV电压修正法来计算SOC，SOC电量的显示利用4位发光二极管组成刻度条进行标识，另外还有故障报警指示灯和运行指示灯对BMS的状态进行显示，电路如图17所示。

(10)接口电路

本实用新型提出的基站BMS采用以太网RJ45接插件作为备用电源上下级联的物理接口，对于差分通信的CAN总线和RS485总线，屏蔽效果好，抗干扰能力强，链接方便；电池电压和温度采集端口采用汽车级的JAE接插件，连接牢固，插拔有力，电路如图18所示。

具体地，本实用新型针对5G基站现有的电池管理系统只能实现电池基本的保护功能，而无法满足目前5G基站智慧新能源节能管理与储供能系统复杂功能需求的弊端，提出了一种应用于通信基站的磷酸铁锂电池管理系统，通过采用高可靠性微处理器及高精度模拟前端芯片，提高了数据采集精度和运算处理能力，并且通过优化电池均衡管理算法，保证了电池整体一致性。另外，本实用新型提出的基站BMS支持故障报告和历史数据记录功能，通过外扩大容量铁电存储器，增加带纽扣电池的实时时钟功能，使基站备用电源能够存储大量的履历数据和实时数据，在电池出现异常时，可以快速准确地进行故障定位与排查，且支持多种通信协议，兼容性广，可满足基站复杂的使用要求，具有较高的市场推广价值。

以上所述仅为本实用新型的优选实施例，并非因此限制本实用新型的专利范围，凡是在本实用新型的实用新型构思下，利用本实用新型说明书及附图内容所作的等效结构变换，或直接/间接运用在其他相关的技术领域均包括在本实用新型的专利保护范围内。

Claims (4)

1.一种应用于通信基站的磷酸铁锂电池管理系统，其特征在于，包括微控制器(CPU)、模拟前端(AFE)、软件下载电路、电源转换电路、实时时钟(RTC)、地址拨码电路、电量显示电路、CAN通信电路、RS485通信电路、开关控制电路、铁电存储器(FRAM)、故障检测电路、电流采集电路以及接口电路，所述模拟前端(AFE)、软件下载电路、电源转换电路、实时时钟(RTC)、地址拨码电路、电量显示电路、CAN通信电路、RS485通信电路、开关控制电路、铁电存储器(FRAM)、故障检测电路、电流采集电路以及接口电路均分别与所述微控制器(CPU)电连接，所述模拟前端(AFE)包括电压采集电路、温度采集电路以及均衡管理电路，所述模拟前端(AFE)用于对电池的电压和温度的实时监控；所述电源转换电路用于采集电池总压，并转换为各部分功能电路所需要的电源电压；所述电流采集电路用于对充放电电流进行采样；所述CAN通信电路用于BMS和逆变器通信；所述RS485通信电路用于BMS之间的级联通讯；所述铁电存储器(FRAM)用于存储故障报告、事件顺序记录以及存储实时的电池遥测数据及继电器开关状态，便于事后分析BMS因何种原因导致异常下电。

2.根据权利要求1所述的应用于通信基站的磷酸铁锂电池管理系统，其特征在于，所述微控制器(CPU)采用STM32F103VCT6微控制器芯片。

3.根据权利要求1所述的应用于通信基站的磷酸铁锂电池管理系统，其特征在于，所述模拟前端(AFE)采用BQ76PL455-Q1芯片。

4.根据权利要求1所述的应用于通信基站的磷酸铁锂电池管理系统，其特征在于，所述实时时钟(RTC)还包括CR1220纽扣电池，所述CR1220纽扣电池与所述实时时钟(RTC)电连接。

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