瑞萨MCU助力中国新能源基建持续创新（下）

 

 

 

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。

 

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：

 

 

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

 

 

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。

 

驱动威廉希尔官方网站 和电流电压采样威廉希尔官方网站 ，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

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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