MR-BMS771参考设计：适用于移动机器人的电池管理系统

一、引言

在移动机器人领域，可靠的电池管理系统（BMS）至关重要。NXP的MR - BMS771参考设计为工程师提供了一个出色的解决方案，适用于评估、设计、实现和验证MC33771C电池单元控制器、S32K1 MCU和NTAG 5近场通信（NFC）接口。本用户手册将详细介绍该参考设计的各个方面，包括硬件接口、软件安装、工具使用以及电路板配置等内容。

文件下载：NXP Semiconductors MR-BMS771智能电池管理系统 (BMS).pdf

在移动机器人的运行中，电池管理系统就像是机器人的“能量管家”，它的重要性不言而喻。一个良好的电池管理系统能够确保电池的安全使用，避免电池出现过充、过放、过温等危险情况，从而保障机器人的稳定运行。就像新能源汽车中的电池管理系统，它通过实时监测电池的电压、电流、温度等参数，能够有效防止电池故障或事故的发生，增强了电池的安全性。同时，合理的电池管理还可以延长电池的使用寿命，提高能量的利用效率，为机器人的长时间工作提供有力支持。那么，NXP的MR - BMS771参考设计在这方面又有哪些独特之处呢？让我们一起深入了解。

移动机器人电池管理系统MR - BMS771参考设计全解析

一、引言

在当今科技飞速发展的时代，移动机器人如无人机、漫游车等在各个领域的应用越来越广泛。而电池管理系统（BMS）作为移动机器人的关键组成部分，其性能直接影响着机器人的运行稳定性和续航能力。NXP的MR - BMS771参考设计就是一款专门为移动机器人打造的独立BMS解决方案，它支持7到14节电池，具有高精度的电池监测和管理能力，能够为移动机器人提供可靠的电力保障。

三、准备工作

3.1 套件内容

MR - BMS771套件包含了以下物品：

• 装在防静电袋中的已组装和测试好的MR - BMS771板。
• CAN总线终端电阻（DRONE - CAN - TERM）。
• 用于8S到14S电池的未安装的电池单元连接器，带有预压接电线。
• 4针JST - GH到4针JST - GH的300mm电缆（CAN）。
• 电源输入和输出连接器。
• 带电缆的外部热敏电阻。
• 小型SSD1306 OLED显示屏。
• 快速入门指南。
• 用于7到14节电池的小型电池单元数量选择插入板。
• NFC天线。

3.2 额外硬件

除了套件内容外，还需要以下硬件：

• 7S到14S的电池组，电压范围为15V到59V，电流限制为30A DC（已测试高达30A DC）。
• 适合该电池的充电器。
• 用于配置电路板的烙铁。
• PEmicro multilink universal或SEGGER J - Link mini调试器或其他合适的调试器。
• 可选的DCD - LZ适配器。

需要注意的是，MR - BMS771板在电池过充时能够打开充电电路，因此充电器不需要有电池管理系统（BMS）连接器。

3.3 软件

使用该参考设计需要安装软件，所有列出的软件都可以在参考设计信息页面（http://www.nxp.com/MR_BMS771）上找到。推荐安装S32 Design Studio for Arm - based MCUs和Model - based design toolbox（MBDT）示例。

四、硬件了解

4.1 MR - BMS771概述

MR - BMS771是一款适用于移动机器人的独立BMS参考设计，能够对差分电池单元电压和电流进行模数转换，实现精确的电池充电库仑计数和电池温度测量。它还可以通过DroneCAN/CyphalCAN和/或系统管理总线（SMBus）与飞行管理单元（FMU）进行通信。

4.2 MR - BMS771特点

• 支持7S到14S的电池，堆栈电压范围为15V到59V。
• 测量电池堆栈和单元电压、电池充电或放电电流（已测试高达30A DC）。
• 提供通过约66Ω平衡电阻的被动电池单元平衡选项。
• 具有低漏电流的深度睡眠模式（用于运输和存储）和低电池电流消耗的自动睡眠模式。
• 支持CAN、I²C和NFC通信。
• 实现串行线调试（SWD）和联合测试行动组（JTAG）调试接口，可与标准J - Link和其他调试器配合使用。
• 实现DCD - LZ组合调试控制台接口，用于PX4 Dronecode和HoverGames平台。

4.3 框图

MR - BMS771的框图展示了其内部的电路结构和信号流向，有助于我们理解其工作原理。

4.4 MR - BMS771板特性

MR - BMS771板的设计和优化是基于特定的工作条件，其最大额定值如下：	参数	最小值	最大值	单位
电池输入电压	15	59	V
电池充电/放电电流（DC）		30	A

超出这些范围使用可能会导致电路板故障和损坏。

4.5 特色组件

MR - BMS771板上的主要特色设备包括：	标签	描述	参考型号
U1	电池单元控制器（BCC）	MC33771CTP1AE
U2	微控制器单元（MCU）	FS32K146UATOVLHT
U3	系统基础芯片（SBC）	UJA1169ATK/F/3
U4	安全芯片	SE051
U5	近场通信（NFC）	NTA53321G10FHK（首批未安装）
U17	CAN信号改进能力（SIC）收发器	TJA1463ATK

4.5.1 MC33771C：14通道锂离子电池单元控制器

MC33771C是一款专为汽车和工业应用设计的锂离子电池单元控制器IC，能够对差分电池单元电压和电流进行模数转换，实现电池库仑计数和电池温度测量，并通过串行外设接口（SPI）或传输协议链路（TPL）将信息数字传输到微控制器进行处理。其特点包括：

• 9.6V ≤ VPWR ≤ 63V工作电压，75V瞬态电压。
• 可管理7到14节电池。
• 支持隔离的2.0Mbit/s差分通信或4.0Mbit/s SPI。
• 初始化时可寻址。
• 双向收发器，支持多达63个节点的菊花链连接。
• 最大总电压测量误差为0.8mV。
• 同步电池单元电压/电流测量和库仑计数。
• 对电池单元电压测量进行平均。
• 测量总堆栈电压。
• 七个通用输入/输出（GPIO）/温度传感器输入。
• 提供5.0V、5.0mA的参考电源输出。
• 自动过压、欠压和温度检测，可路由到故障引脚。
• 集成睡眠模式下的过压、欠压和温度监测。
• 集成300mA被动电池单元平衡和诊断功能。
• 支持热插拔。
• 检测内部和外部故障，如开路、短路和泄漏。
• 设计支持ISO 26262，最高可达ASIL D安全系统。
• 符合AEC - Q100标准。

4.5.2 连接器

MR - BMS771板上有多个连接器，用于连接各种外部设备和传感器。具体的连接器信息如下表所示：	标签	描述	制造商	参考型号	安装情况
JP1	电池单元端子连接器	J.S.T. Mfg. Co., Ltd.	SxB - XH - A(LF)(SN)	DNP
J1	外部温度传感器	J.S.T. Mfg. Co., Ltd.	SM02B - GHS - TB(LF)(SN)	已安装
J2	JTAG调试器		SMD头10位置0.050"/1.27mm	已安装
J3	CAN0总线	J.S.T. Mfg. Co., Ltd.	SM04B - GHS - TB(LF)(SN)	已安装
XT90连接器				DNP
J4	电池电源输入			DNP
J5	电池电源输出			已安装
J6	复位跳线	FCI	68000 - 202HLF	DNP
J7	SE051天线连接器	J.S.T. Mfg. Co., Ltd.	SM02B - GHS - TB(LF)(SN)	已安装
J18	SMBus（I²C外设总线）	J.S.T. Mfg. Co., Ltd.	SM04B - GHS - TB(LF)(SN)	已安装
J19	DCD - LZ调试器	J.S.T. Mfg. Co., Ltd.	SM07B - GHS - TB(LF)(SN)	已安装
J20	额外的CAN0总线	J.S.T. Mfg. Co., Ltd.	SM04B - GHS - TB(LF)(SN)	已安装
J21	MCU扩展头	Sullins Connector Solutions	GRPB072VWVN - RC	DNP
J22	唤醒跳线	FCI	68000 - 202HLF	DNP
J23	I²C控制器总线	Würth Elektronik	61300411821	DNP
J24	NTAG 5天线连接器	J.S.T. Mfg. Co., Ltd.	SM02B - GHS - TB(LF)(SN)	已安装
J26	外部12V输出	J.S.T. Mfg. Co., Ltd.	SM05B - GHS - TB(LF)(SN)	已安装
J27	CAN1总线	J.S.T. Mfg. Co., Ltd.	SM04B - GHS - TB(LF)(SN)	已安装
J28	额外的CAN1总线	J.S.T. Mfg. Co., Ltd.	SM04B - GHS - TB(LF)(SN)	已安装
J29	按钮和SW急停	J.S.T. Mfg. Co., Ltd.	SM04B - GHS - TB(LF)(SN)	已安装
J30	电池单元选择板7S		MR - BMS771 - SW
J31	电池单元选择板位置		MR - BMS771 - INTERPOSER	DNP
J32	电池单元选择板10S		MR - BMS771 - SW
J33	电池单元选择板12S		MR - BMS771 - SW
J34	电池单元选择板13S		MR - BMS771 - SW
J35	电池单元选择板14S		MR - BMS771 - SW
J36	电池单元选择板11S		MR - BMS771 - SW
J37	电池单元选择板8S		MR - BMS771 - SW
J38	电池单元选择板9S		MR - BMS771 - SW
J39	105/外部温度传感器2	J.S.T. Mfg.Co.,Ltd.	SM02B - GHS - TB(LF)(SN)	已安装
J40	106/外部温度传感器3	J.S.T. Mfg.Co., Ltd.	SM02B - GHS - TB(LF)(SN)	已安装

电路板的硬件配置可以通过焊接电池单元选择板（J32到J38在J31上）来完成。

4.5.3 编程和调试

可以通过DCD - LZ连接器（J19）或JTAG连接器（J2）对MR - BMS771板进行编程和调试。DCD - LZ结合了调试接口和调试串行控制台，用于RDDRONE - FMUK66（HoverGames），更多信息可参考HoverGames gitbook。

4.5.4 LED

MR - BMS771板上有一个RGB LED，可用于状态指示，通过不同的颜色组合和闪烁模式来表示电池和系统的状态。还有两个红色CAN LED，可指示CAN总线的状态。

4.5.5 外部显示屏

可以使用外部显示屏来显示重要的电池信息，该显示屏可以连接到J23。该引脚可以提供3.3V（D34）或5.0V（D35）的电源，通过切换二极管可以选择使用3.3V或5V。MR - BMS771板套件中提供了一个SSD1306 OLED显示屏。

4.5.6 外部和附加组件

• 外部组件：可以使用连接器J1、J39或J40在MR - BMS771板上添加可选的外部温度传感器，用于监测电池组内电池单元的温度。

• 附加组件：设计中包含了一些未安装在MR - BMS771原始板上的组件，这些组件在原理图和物料清单上标记为DNP。具体的附加组件及其用途如下表所示：	功能	描述	标签
  散热片	为了散发更多热量，可以在电路板底部安装散热片，推荐使用HSB30 - 373710。	无
  CAN总线上的可选终端电阻网络	每个CAN线上连接一个60.4Ω电阻和一个4700pF电容到地（分裂终端）。	R49, R50, C66
  电池单元测量连接上的电容	根据使用的电池单元数量，可以在电池单元电压测量连接上添加滤波器电容。	C6, C12, C18, C22, C26, C29, C34
  外部温度传感器上的电容	如果使用外部温度传感器，可以在其低通滤波器上添加两个电容，以满足更严格的电磁兼容性（EMC）要求。	C49, C54
  电池单元平衡连接上的电容	根据使用的电池单元数量，可以在电池单元平衡电路上添加电容，以提高EMC性能。	C99, C100, C101, C102, C103, C104, C105, C106, C107
  外部NFC天线	作为印刷电路板（PCB）NFC天线的替代选项，用于扩展操作范围。	L2
  栅极驱动器RS引脚上的电阻	将栅极驱动器RS引脚连接到MCU的电阻。	R99
  MCU扩展头	额外的MCU引脚连接到一个2 x 7的引脚插槽，可用于连接额外的电池电量LED、紧急按钮等。	J21
  唤醒跳线	用于SBC唤醒的跳线（与按钮并联）。	J22

4.5.7 测试点定义

MR - BMS771板上的测试点用于监测各种信号，具体的测试点信息如下表所示：	测试点名称	信号名称	描述
TP1	OVERCURRENT	过流信号
TP2	SE_NFC_SCL	安全元件和NTAG NFC C总线时钟信号
TP3	SE_NFC_SDA	安全元件和NTAG NFC C总线数据信号
TP4	VCC_3V3_SBC	SBC 3.3V稳压器输出
TP5	RST_N	复位信号（低电平有效）
TP8	VCC_3V3_LDO1	低压差（LDO）3.3V稳压器输出
TP9	SMBUS_SCL	SMBus I²C总线时钟信号
TP10	SMBUS_SDA	SMBus I²C总线数据信号
TP11	VBAT_IN	电压输入
TP12	VBAT_OUT	电压输出
TP13	BGND	电池接地参考
TP14	Gate	电源开关栅极命令
TP16	BCC_CIPO	BCC SPI总线CIPO输出信号
TP17	BCC_CS	BCC SPI总线片选信号
TP18	BCC_SCLK	BCC SPI总线时钟信号
TP19	BCC_COPI	BCC SPI总线COPI输入信号
TP20	SBC_CS	SBC SPI总线片选信号
TP21	SBC_CIPO	SBC SPI总线CIPO信号
TP22	SBC_COPI	SBC SPI总线COPI信号