恩智浦MCU在家庭储能及户外电源领域的一体化应用

cathy 发布于：周四, 04/13/2023 - 14:30 ，关键词：

在双碳目标的引领下，新型储能及分布式电源是建设新型电力系统、推动能源绿色低碳转型的重要装备基础和关键技术，是实现碳达峰、碳中和目标的重要支撑，恩智浦MCU器件(LPC, Kinetis V, MCX及DSC)可以系列化满足家庭储能及户外电源方面的方案设计需求，今天我们来看看恩智浦在这些应用领域有哪些优势。

产品中适合的相关技术

首先我们先看一下恩智浦产品中有哪些适合的相关技术：

LPC55，MCX，DSC系列MCU集成PowerQuad DSP协处理器，大大提升电力电子变流器FFT，IIR，FIR等常用算法运算效力。
恩智浦独有的FreeMASTER工具提供可代替示波器的快速在线波形监视及存储分析功能，提升电力电子应用的调试效率。
经由VDE认证的Function Safety软件库，支持功能安全的快速部署。
提供LVGL GUI Guider工具支持快速UI界面设计。
MC3377x系列AFE芯片提供经过汽车市场广泛验证的准确，高可靠的模拟前端解决方案。LPC551x/0x+MC33771/2C及LPC551x/0x+MC33665/MC33774C组合提供极具性价比的高可靠BMS解决方案。
依托NXP在WIFI和BLE上丰富的产品线，实现系统快速配网及云接入。

典型的家庭储能系统

下面我们来观察一个典型的家庭储能系统（包含储能电池及储能变流器）或者户外电源，它主要由MPPT模块，DC-DC模块，逆变模块，电池组，以及直流输出模块等单元组成（如下图所示），各个模块都需要内置MCU来实现状态采集、功能控制、通信和保护等功能。

恩智浦LPC5500，MCX，DSC，Kinetis系列MCU均支持105℃耐温，同时部分MCU内置了高速16bit ADC(2Msps)，FlexPWM（产生互补PWM信号，支持死区），HSCMP比较器，OPAMP运放，FlexIO（可模拟多种显示接口时序），TSI（触摸按键）等外设，系列化满足MPPT，LLC，DAB，纯正弦波逆变，LCD显示，BMS，通信等功能的需求。同时恩智浦MCU支持IAR，Keil，MCUXpresso IDE等多种集成开发环境，有助于用户快速上手。

相关应用技术介绍

接下来我们分别介绍恩智浦产品的各项相关技术，及在家庭储能及户外电源领域中的功能角色。

第一个要介绍的是PowerQuad。PowerQuad是MCU内部集成的一个DSP协处理器，能大大提升常用DSP算法在MCU中的执行性能，如在电力电子应用领域，PowerQuad内含的FFT/iFFT, FIR, IIR模块，能提供相较于Arm Cortex-M内核更高效能的实现方案。

LPC55(s)3x和MCX N947等器件均内嵌PowerQuad协处理器。

FreeMaster调试工具

第二个当属FreeMASTER，这是一款不得不提的工具。FreeMASTER是NXP独有的运行时调试工具，一种用户友好的实时调试监测器和数据可视化工具，可用于运行时配置和调试嵌入式软件应用。

FreeMASTER支持对正在运行的系统上的变量进行非侵入式监测，并且可以在示波器或显示器上以标准小部件（仪表、滑块等）或文本形式的数据形式显示多个变量，从而提供易于使用的数据记录器（下图所示数据记录结果）。

FreeMASTER可以与自定义HTML、MATLAB®或Excel链接到其他可编写脚本的框架，以将MCU硬件添加到控制环路中。从运行FreeMASTER的主机到目标系统的连接可直接在广泛的通信外设或调试通道上进行。FreeMASTER直接在桌面应用中嵌入图形、表格网格和Web视图。FreeMASTER连接通过使用JSON RPC调用的网络连接建立，客户端实施可用于Python、C/C ++/C#和其他语言。

FreeMASTER提供了一个新组件：FreeMASTER Lite。它是一种轻量级服务，利用可以在Windows或Linux主PC上运行的JSON RPC协议，并允许在Web浏览器应用（在本地或远程主计算机或移动设备上运行）上实施自定义UI应用。

下图所示，通过FreeMASTER我们可以方便地监视各级电力电子变换器的输入输出电压，电流等监测量。

功能安全方面的支持

电力储能系统因其应用的特殊性，越来越需要具备功能安全方面的支持。

在MCU应用市场中，NXP率先在部分MCU的SDK库中提供了Function Safety Library，支持IEC61508工业功能安全标准及IEC60730家用功能安全标准（其中LPC55(s)36通过TUV SOD官方认证）。帮助客户产品快速实现对以上功能安全标准的支持，客户可以通过MCUXpresso SDK提供的SDK Builder功能可以方便地在SDK库中集成Safety Library（如下图所示勾选相应选项）。

炫酷的用户界面设计

现代很多电源产品都需要实现炫酷的用户界面，接下来我们介绍简单易用的LVGL GUI Guider图形工具。GUI Guider是恩智浦提供的用户友好型图形用户界面开发工具，可通过开源LVGL图形库快速开发高品质的显示。GUI Guider的拖放编辑器可以轻松利用LVGL的众多特性，如小部件、动画和样式来创建GUI，而只需少量代码或根本无需任何代码。

如下图所示，单击按钮，您可以在模拟环境中运行应用或将其导出到目标项目。可以很轻松地将GUI Guider生成的代码添加到MCUXpresso IDE或IAR Embedded Workbench项目中，从而加速开发过程，并允许无缝地将嵌入式用户界面添加到应用中。GUI Guider可免费与恩智浦的通用和跨界MCU一起使用，并包括用于多个受支持平台的内置项目模板。

BMS系统

下面让我们把聚光灯给到大明星BMS系统， BMS系统是专门用来进行电池运行管理的模块，是整个储能系统电池安全的重要保障，恩智浦的BMS方案在汽车市场得到了广泛应用和认可。

针对家庭储能(48V低压系统 )和户外电源应用方向，如下图所示，LPC551x/0x+MC33771C（Battery Cell Controller）可提供单芯片3-6及7-14串电池管理功能，LPC551x/0x具备96-150Mhz的主频，支持FPU和MMU指令，可高效率运行SOC、SOP、SOH等BMS核心控制算法，精准修正单节电池充/放电状态，实现总输入/输出功率和电池组健康状态的监测。

针对家庭储能(高压500V-600V系统 )，如下图所示，LPC551x/0x+ MC33665/MC33774C的技术方案通过菊花链方式，提供对500V以上的电池包的支持。其中MC33774C作为恩智浦新一代模拟前端，单芯片支持18串电池管理，同时内建电池均衡功能；MC33665作为网关（Battery Gateway），为LPC551x/0x与MC33774C模拟前端提供桥接服务。

同时通过BJB模块总体负责高压侧电池包的电压电流采样，与LPC551x/0x之间采用通信方式实现有效电气隔离，有利于降低用户实现高压电气隔离的成本。

此外LPC551x/0x提供了丰富的外设接口，其中LPC55(s)16支持多达9个FlexComm模块让你随心所欲增加UART、IIC、SPI等接口，同时支持1路CAN-FD，实现故障诊断和警告上报。

最后，恩智浦MCU目前支持多种接口的OTG实现方式，可以来对BMS控制板固件进行升级，可实现手机APP升级BMS控制板固件，并且自带多种加密算法模块（AES，SHA），有效保护用户代码。

BLE/WIFI无线通信产品

最后我们来介绍恩智浦BLE/WIFI无线通信产品线，恩智浦提供丰富的单模2.4GHz，及双模2.4GHz+5Ghz WIFI产品，并同时分别支持BLE4.2及BLE5.1标准，可用于家庭储能及户外电源的无线接入，同时恩智浦合作伙伴基于恩智浦芯片提供多种无线模组，方便用户快速接入亚马逊，百度云，阿里云，中移OneNET等云平台。