一種分層式儲(chǔ)能電池管理系統(tǒng)

裴麗娜，黃 哲，董德鑫

（北京華電天仁電力控制技術(shù)有限公司，北京 100039）

儲(chǔ)能電池管理系統(tǒng)（ESBMS，energy storage battery management system）是針對(duì)儲(chǔ)能領(lǐng)域?qū)﹄姵毓芾硐到y(tǒng)的特殊要求提出的新系統(tǒng)。由于風(fēng)能、太陽(yáng)能等新能源發(fā)電具有其固有的間歇性、隨機(jī)性的特點(diǎn)，會(huì)對(duì)電網(wǎng)的安全、穩(wěn)定運(yùn)行帶來(lái)不利影響[1]。發(fā)展儲(chǔ)能技術(shù)可以提高其運(yùn)行質(zhì)量。合理高效的電池管理系統(tǒng)對(duì)電池堆的壽命以及整個(gè)儲(chǔ)能系統(tǒng)的安全性有著至關(guān)重要的作用[2]。

現(xiàn)有的電池管理系統(tǒng)大都是從電動(dòng)汽車(chē)電池管理系統(tǒng)直接引用過(guò)來(lái)的。國(guó)內(nèi)外針對(duì)電動(dòng)汽車(chē)應(yīng)用的電池管理系統(tǒng)均投入大量的人力、物力，開(kāi)展廣泛深入的研究。日本青森工業(yè)研究中心從1997年至今，仍在持續(xù)進(jìn)行電池管理系統(tǒng)（BMS）實(shí)際應(yīng)用的研究；美國(guó)Villanova大學(xué)和USNanocorp公司已經(jīng)合作多年對(duì)各種類(lèi)型的電池 SOC進(jìn)行基于模糊邏輯的預(yù)測(cè)；豐田、本田以及通用汽車(chē)公司等都把BMS納入技術(shù)開(kāi)發(fā)的重點(diǎn)。我國(guó)對(duì)電動(dòng)車(chē)的發(fā)展十分重視，在“十五”規(guī)劃中被列為國(guó)家高科技攻關(guān)項(xiàng)目，同時(shí)被列為國(guó)家“863”科技攻關(guān)項(xiàng)目，其中清華大學(xué)、北京理工大學(xué)以及北方交通大學(xué)都對(duì)電動(dòng)汽車(chē)的電池管理系統(tǒng)進(jìn)行了研究。電動(dòng)汽車(chē)管理系統(tǒng)服務(wù)電池容量小、功能單一、實(shí)時(shí)性較差，對(duì)大容量?jī)?chǔ)能系統(tǒng)并不適用。

儲(chǔ)能電池管理系統(tǒng)研究的要點(diǎn)是如何掌握大容量電池堆中每個(gè)電池單元的狀態(tài)，并據(jù)此對(duì)蓄電池進(jìn)行管理。兆瓦級(jí)儲(chǔ)能系統(tǒng)中的大容量電池串聯(lián)，對(duì)電池的一致性管理提出了更嚴(yán)格的要求。電池在經(jīng)過(guò)多次充放電后單體性能會(huì)產(chǎn)生不一致，導(dǎo)致電池整體性能變差，影響電池壽命和電池堆荷電狀態(tài)SOC計(jì)算準(zhǔn)確度[3]。這就需要電池管理系統(tǒng)除了實(shí)時(shí)檢測(cè)電池狀態(tài)并及時(shí)上傳給能量轉(zhuǎn)換 PCS系統(tǒng)和上層監(jiān)控系統(tǒng)外，還需要有合理高效的均衡模塊，對(duì)電池組可能出現(xiàn)的故障進(jìn)行報(bào)警并保護(hù)電池本體的功能。另外，由于電池容量較大，合理的管理體系對(duì)電池本體壽命以及儲(chǔ)能系統(tǒng)安全高效運(yùn)行極為重要。

本文針對(duì)儲(chǔ)能領(lǐng)域?qū)﹄姵毓芾硐到y(tǒng)的特殊要求，提出了一種3層管理系統(tǒng)架構(gòu)的分層式儲(chǔ)能電池管理系統(tǒng)。

1 儲(chǔ)能電池管理系統(tǒng)功能

儲(chǔ)能電池管理系統(tǒng)（ESBMS）作為儲(chǔ)能電池系統(tǒng)的重要組成部分，是用于監(jiān)測(cè)、評(píng)估及保護(hù)電池運(yùn)行狀態(tài)的電子設(shè)備集合[4,8-10]，包括：監(jiān)測(cè)并傳遞電池、電池組及電池系統(tǒng)單元的運(yùn)行狀態(tài)信息，如電池電壓、電流、溫度以及保護(hù)量等；評(píng)估計(jì)算電池的荷電狀態(tài)SOC、壽命健康狀態(tài)SOH及電池累計(jì)處理能量等；保護(hù)電池安全等。ESBMS具有檢測(cè)與計(jì)算、電池單體均衡管理、高壓管理、統(tǒng)計(jì)存儲(chǔ)、充放電管理、報(bào)警和通信功能。

本文介紹的儲(chǔ)能電池管理系統(tǒng)采用分層式3層管理體系，如圖1所示，其中包括：底層——多個(gè)電池管理單元 BMU（battery management unit），主要完成單體電池電壓采集、多點(diǎn)溫度采集、電池組均衡控制功能，并采用 CAN總線和中間層交互信息，BMU是電池管理系統(tǒng)中最基本的單元，它的檢測(cè)精度、數(shù)據(jù)的可靠傳輸是電池管理系統(tǒng)的基本前提；中層——多個(gè)電池簇管理系統(tǒng)BCMS（battery cluster management system），負(fù)責(zé)管理 1 個(gè)電池串中的全部BMU，BCMS負(fù)責(zé)電池串的總電壓采集、充放電電流采集、漏電檢測(cè)、故障報(bào)警，計(jì)算SOC和SOH，實(shí)現(xiàn)高壓管理，在BMU協(xié)同下完成整串 電池的均衡控制，采用CAN總線和底層BMU以及頂層BAMS交互信息；頂層——一個(gè)電池系統(tǒng)單元管理系統(tǒng) BAMS（battery array management system），負(fù)責(zé)管理 1臺(tái) PCS對(duì)應(yīng)電池系統(tǒng)單元的全部BCMS，BAMS采用CAN通信收集各串電池的數(shù)據(jù)信息和報(bào)警，對(duì)電池系統(tǒng)單元的信息進(jìn)行匯總、統(tǒng)計(jì)分析和處理，采用TCP/IP通信方式向微電網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)上報(bào)電池系統(tǒng)信息和報(bào)警，采用 Modbus TCP通信方式和PCS進(jìn)行信息交互，從保護(hù)電池的角度實(shí)現(xiàn)PCS的優(yōu)化控制。

圖1 分層式儲(chǔ)能電池管理系統(tǒng)構(gòu)架 Fig.1 Distributed system framed structures of energy storage battery management

2 硬件電路設(shè)計(jì)

2.1 底層BMU硬件電路設(shè)計(jì)

BMU位于電池管理系統(tǒng)最底層，負(fù)責(zé)基礎(chǔ)的電池?cái)?shù)據(jù)采集、電池均衡充放電與BCMS數(shù)據(jù)通訊等功能。主要包括CPU主控電路、電池監(jiān)測(cè)電路、均衡電路、電池切換電路、供電電路、接口電路 6個(gè)部分。BMU原理如圖2所示。

圖2 BMU原理框圖 Fig.2 Functional block diagram of BMU

BMU選用飛思卡爾公司的8位低功耗CMOS微處理器MC9S08DZ60。采用兩個(gè)LTC6802-2作為電池管理主芯片。LTC6802-2是一個(gè)完整的電池監(jiān)視IC，其中包括一個(gè)12位ADC、一個(gè)高精度參考電壓、一個(gè)高電壓輸入多路復(fù)用器和一個(gè)串行接口（SPI）。每個(gè)單元都有一個(gè)輸入相關(guān)聯(lián)的 MOSFET開(kāi)關(guān)，可以對(duì)過(guò)充電的電池進(jìn)行放電。通過(guò)該芯片，BMU可以檢測(cè)多達(dá)16路電池單體電壓和4路溫度。這兩個(gè)LTC6802-2分別通過(guò)一個(gè)數(shù)字隔離器、一個(gè)專(zhuān)有地址連接到單片機(jī)的串行端口（SPI）。

均衡電路分為補(bǔ)電均衡和放電均衡電路。補(bǔ)電均衡電路為隔離的 DC/DC電路，補(bǔ)電電路輸入為24 V 電源，其輸出端為 3.3 V/1.5 A，通過(guò)繼電器控制與單體電池兩極相連接；繼電器受BMU上單片機(jī)控制開(kāi)合。另外，單片機(jī)通過(guò) DC/DC電路使能端控制繼電器的零電流切換，避免在切換時(shí)造成沖擊。放電均衡電路采用外接 MOS開(kāi)關(guān)管串聯(lián)放電電阻方式，MOS開(kāi)關(guān)管由LTC6802控制通斷，電池對(duì)應(yīng)的 MOS開(kāi)關(guān)管打開(kāi)時(shí)，電池通過(guò)外接放電電阻放電，放電電流達(dá)150 mA。均衡電路工作時(shí)，補(bǔ)電均衡同時(shí)只能給一路電池補(bǔ)電，而放電均衡可以多路同時(shí)進(jìn)行。

如圖 3所示，BMU安裝在電池組殼體前壁。每個(gè)BMU板可檢測(cè)最多16路電池單體電壓和4路溫度。

圖3 BMU外觀實(shí)物圖 Fig.3 Physical map of BMU

2.2 中層BCMS硬件電路設(shè)計(jì)

BCMS負(fù)責(zé)管理一串電池組（電池簇），主要包括主控板、兩個(gè)主繼電器、預(yù)并聯(lián)電路、維護(hù)開(kāi)關(guān)、斷路器、保險(xiǎn)、高壓檢測(cè)電路、電流檢測(cè)電路、漏電流檢測(cè)電路等。主控板上采用雙單片機(jī)控制，主 CPU選用 16位低功耗 CMOS微處理器MC9S12DG128，負(fù)責(zé)整個(gè)主控板的運(yùn)行管理，是整個(gè)BMS系統(tǒng)的核心。主CPU提供雙CAN接口UPCAN和LOWCAN，用于和BMU以及BAMS的通訊連接。從 CPU選用 MC9S08DZ60，專(zhuān)門(mén)用于電池串電流的高速采集與安時(shí)積分等相關(guān)計(jì)算。主、從CPU通訊通過(guò)SCI串口完成。BCMS原理如圖4所示，主控板實(shí)物如圖5所示。

2.3 頂層BAMS硬件電路設(shè)計(jì)

電池系統(tǒng)單元管理系統(tǒng)BAMS位于匯流柜中，主要完成數(shù)據(jù)匯總和統(tǒng)計(jì)分析處理以及與BCMS、雙向變流器（PCS）和中央監(jiān)控系統(tǒng)（SCADA）的通信。BAMS主要包括兩個(gè)具有CAN接口和以太網(wǎng)接口的PLC、一個(gè)觸摸屏、一個(gè)指示燈板和一個(gè)三相電檢測(cè)板，如圖6所示。其中，PCS通訊的PLC負(fù)責(zé)傳輸實(shí)時(shí)性和重要性要求比較高的信息，這類(lèi)信息數(shù)據(jù)量比較?。淮罅康臄?shù)據(jù)信息是通過(guò)另一個(gè)PLC傳遞給SCADA的，通訊的實(shí)時(shí)性要求不高，另外整個(gè) BMS就地監(jiān)控顯示觸摸屏也是通過(guò)該P(yáng)LC通訊的。匯流柜上還配置了一個(gè)指示燈板，每一個(gè)電池柜都分配了一對(duì)紅、綠指示燈，用于指示電池柜的運(yùn)行狀態(tài)。另外，由于整個(gè) BMS系統(tǒng)的控制電是通過(guò)UPS供給的，當(dāng)系統(tǒng)掉電時(shí)，需要通過(guò)三相電檢測(cè)板檢測(cè)到系統(tǒng)的掉電/缺相狀態(tài)，以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的及時(shí)停機(jī)。

圖4 BCMS原理框圖 Fig.4 Functional block diagram of BCMS

圖5 BCMS主控板實(shí)物圖 Fig.5 Physical map of BCMS PCB

圖6 BAMS原理框圖 Fig.6 Functional block diagram of BAMS

3 軟件設(shè)計(jì)

3.1 底層BMU軟件設(shè)計(jì)

BMU軟件主要是單片機(jī)軟件，采用功能模塊化設(shè)計(jì)。BMU主要分為電壓溫度測(cè)量模塊、補(bǔ)電放電均衡模塊和通訊模塊。

電壓溫度測(cè)量模塊中，單片機(jī)通過(guò)SPI通訊對(duì)LTC6802進(jìn)行“寫(xiě)”寄存器操作，實(shí)現(xiàn)LTC6802的初始化設(shè)定、電壓測(cè)量溫度測(cè)量開(kāi)啟；通過(guò)SPI通訊對(duì)LTC6802進(jìn)行“讀”寄存器操作，實(shí)現(xiàn)電壓溫度值讀取。

補(bǔ)電放電均衡模塊，補(bǔ)電部分通過(guò)單片機(jī) I/O高低電平控制繼電器閉合和斷開(kāi)。放電部分通過(guò)SPI通訊“寫(xiě)”LTC6802的配置寄存器，來(lái)控制LTC6802芯片S管腳是否打開(kāi)放電回路。

通訊模塊主要實(shí)現(xiàn)與BCMS的CAN通訊，根據(jù)訪問(wèn)請(qǐng)求指令，上傳當(dāng)前電池電壓溫度信息，根據(jù)均衡指令進(jìn)行相應(yīng)的均衡操作。

3.2 中層BCMS軟件設(shè)計(jì)

BCMS軟件主要是兩個(gè)單片機(jī)軟件，同樣采用功能模塊化設(shè)計(jì)。BCMS是電池管理系統(tǒng)的核心，包括電壓溫度處理模塊、均衡控制模塊、繼電器控制模塊、AD采集模塊、核心參數(shù)計(jì)算模塊和通訊模塊。

BCMS的電壓溫度處理模塊主要包括對(duì)以下參數(shù)的處理：?jiǎn)误w最高電壓、單體最低電壓、單體平均電壓、電池箱最高溫度、電池箱最低溫度、電池箱平均溫度。

BCMS的均衡控制模塊，主要包括均衡補(bǔ)電控制模塊和均衡放電控制模塊。電壓均衡控制每個(gè)BMU同時(shí)可對(duì)最多一路電池單體進(jìn)行補(bǔ)電，控制每個(gè) LTC6802同時(shí)可對(duì)最多 4路電池單體進(jìn)行放電。本系統(tǒng)以單體電池的開(kāi)路電壓作為均衡判斷依據(jù)，均衡只在電池靜置較長(zhǎng)時(shí)間或電流停止達(dá)到一定時(shí)間后進(jìn)行，此時(shí)單體電壓接近開(kāi)路電壓。由于均衡電流會(huì)導(dǎo)致被均衡單體的電壓出現(xiàn)變化，為防止均衡電路的頻繁切換，采取周期性均衡[5-7]。

BCMS的繼電器控制模塊包括控制風(fēng)扇繼電器開(kāi)合和控制電池串切換繼電器開(kāi)合。其中電池串切換繼電器控制電池串接入 PCS系統(tǒng)或者退出 PCS系統(tǒng)。

BCMS的AD采集模塊主要包括電池串電流采集、電池串電壓采集和漏電流采集。BCMS采用雙CPU模式，從CPU定時(shí)采樣電池串電流并計(jì)算電流積分，再通過(guò)串行通信接口SCI將電流和安時(shí)數(shù)傳遞給主CPU。

BCMS的核心參數(shù)計(jì)算模塊主要包括電池荷電狀態(tài)SOC計(jì)算，累計(jì)充電放電安時(shí)計(jì)算，最大充電電流和最大放電電流計(jì)算。如圖7所示，為SOC計(jì)算軟件流程圖，SOC采用電流積分的方法，在SOC為 0～10%以及 90%～100%區(qū)間根據(jù)電池開(kāi)路電壓進(jìn)行SOC校正。SOC和電池開(kāi)路電壓的具體對(duì)應(yīng)關(guān)系由電池廠家提供。當(dāng)電池充放電多次后，需要對(duì)電池的額定容量CN進(jìn)行修正。

BCMS的通訊模塊由兩部分組成，第一部分是BCMS與多個(gè)底層BMU通訊，第二部分是BCMS與上層BAMS通訊。

圖7 SOC計(jì)算軟件流程圖 Fig.7 Software flow diagram of SOC calculation

3.3 頂層BAMS軟件設(shè)計(jì)

BAMS軟件主要是PLC軟件，主要采用功能模塊化設(shè)計(jì)，是由電池信息匯總模塊、系統(tǒng)報(bào)警信息處理模塊、BAMS_PCS通訊模塊、BAMS_上層監(jiān)控系統(tǒng)通訊模塊組成。

其中，ESBMS作為保護(hù)電池的重要裝置，需要有完善可靠的報(bào)警系統(tǒng)。本系統(tǒng)采用三級(jí)結(jié)構(gòu)處理報(bào)警信息。第一級(jí)報(bào)警，系統(tǒng)某項(xiàng)參數(shù)接近安全閾值，BAMS給PCS和上層監(jiān)控系統(tǒng)上傳預(yù)警信號(hào)，該級(jí)報(bào)警信號(hào)僅為提示，PCS和上層監(jiān)控系統(tǒng)不做動(dòng)作處理；第二級(jí)報(bào)警，系統(tǒng)某項(xiàng)參數(shù)達(dá)到安全閾值，BAMS上傳報(bào)警信號(hào)后，PCS會(huì)下發(fā)相應(yīng)的動(dòng)作指令，降額運(yùn)行或者直接切除電池串；第三級(jí)報(bào)警，系統(tǒng)某項(xiàng)參數(shù)突然異常遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)安全閾值，BAMS不通知PCS和上層監(jiān)控系統(tǒng)，直接切除異常電池串。

另外，該部分軟件主要實(shí)現(xiàn)大量數(shù)據(jù)處理功能，對(duì)于MW級(jí)電池儲(chǔ)能系統(tǒng)，大約有近萬(wàn)個(gè)變量需要實(shí)時(shí)更新，與下層BCMS檢測(cè)單元和上層監(jiān)控系統(tǒng)以及PCS均有數(shù)據(jù)相互交換，因此通訊的邏輯可靠性也是本層軟件設(shè)計(jì)的重點(diǎn)。

4 應(yīng)用實(shí)例

該方案已經(jīng)在國(guó)內(nèi)某1 MW儲(chǔ)能項(xiàng)目中使用。該分層式儲(chǔ)能電池管理系統(tǒng)所服務(wù)電池為1 MW×2 h的磷酸鐵鋰蓄電池。分層式結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)為 1個(gè)BAMS管理 7個(gè) BCMS，每個(gè) BCMS管理 16個(gè)BMU。系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了電池堆的電壓、溫度、電流、SOC以及電池累計(jì)充放電容量等重要參數(shù)的計(jì)算，并可以在小電流狀態(tài)下實(shí)現(xiàn)電池單體充放電均衡，改善電池長(zhǎng)時(shí)間充放電造成的電池一致性差異，從而延長(zhǎng)電池使用壽命。另外，系統(tǒng)三層內(nèi)部使用500 K bps CAN通訊實(shí)現(xiàn)控制量、電池信息數(shù)據(jù)和報(bào)警信息數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)通訊，為儲(chǔ)能系統(tǒng)安全高效運(yùn)行提供了重要保障。

如下圖所示為該1 MW儲(chǔ)能項(xiàng)目上層HMI界面截圖，圖8、圖9和圖10依次分別是電池組信息、電池單元詳細(xì)信息以及報(bào)警信息。

5 結(jié) 語(yǔ)

本文提出了一套適用于儲(chǔ)能系統(tǒng)大容量電池堆的電池管理系統(tǒng)，該電池管理系統(tǒng)采用分層式3層管理體系。文中分別針對(duì)底層 BMU、中層 BCMS和底層 BAMS的硬件電路和軟件設(shè)計(jì)作了詳細(xì)說(shuō)明。該方案已經(jīng)在國(guó)內(nèi)某1 MW儲(chǔ)能項(xiàng)目中使用，在不斷的實(shí)驗(yàn)過(guò)程中證實(shí)了該方案的實(shí)用性與可行性，對(duì)改善電池使用壽命和對(duì)整個(gè)儲(chǔ)能系統(tǒng)的安全高效運(yùn)行有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

圖8 電池組信息HMI界面 Fig.8 Battery pack passage of HMI

圖9 電池單元詳細(xì)信息HMI界面 Fig.9 Battery unit detailed passage of HMI

圖10 報(bào)警信息HMI界面 Fig.10 Alarm passage of HMI

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