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）

儲能電池管理系統(tǒng)（ESBMS，energy storage battery management system）是針對儲能領(lǐng)域?qū)﹄姵毓芾硐到y(tǒng)的特殊要求提出的新系統(tǒng)。由于風能、太陽能等新能源發(fā)電具有其固有的間歇性、隨機性的特點，會對電網(wǎng)的安全、穩(wěn)定運行帶來不利影響[1]。發(fā)展儲能技術(shù)可以提高其運行質(zhì)量。合理高效的電池管理系統(tǒng)對電池堆的壽命以及整個儲能系統(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)大都是從電動汽車電池管理系統(tǒng)直接引用過來的。國內(nèi)外針對電動汽車應用的電池管理系統(tǒng)均投入大量的人力、物力，開展廣泛深入的研究。日本青森工業(yè)研究中心從1997年至今，仍在持續(xù)進行電池管理系統(tǒng)（BMS）實際應用的研究；美國Villanova大學和USNanocorp公司已經(jīng)合作多年對各種類型的電池 SOC進行基于模糊邏輯的預測；豐田、本田以及通用汽車公司等都把BMS納入技術(shù)開發(fā)的重點。我國對電動車的發(fā)展十分重視，在“十五”規(guī)劃中被列為國家高科技攻關(guān)項目，同時被列為國家“863”科技攻關(guān)項目，其中清華大學、北京理工大學以及北方交通大學都對電動汽車的電池管理系統(tǒng)進行了研究。電動汽車管理系統(tǒng)服務電池容量小、功能單一、實時性較差，對大容量儲能系統(tǒng)并不適用。

儲能電池管理系統(tǒng)研究的要點是如何掌握大容量電池堆中每個電池單元的狀態(tài)，并據(jù)此對蓄電池進行管理。兆瓦級儲能系統(tǒng)中的大容量電池串聯(lián)，對電池的一致性管理提出了更嚴格的要求。電池在經(jīng)過多次充放電后單體性能會產(chǎn)生不一致，導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計算準確度[3]。這就需要電池管理系統(tǒng)除了實時檢測電池狀態(tài)并及時上傳給能量轉(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，對電池組可能出現(xiàn)的故障進行報警并保護電池本體的功能。另外，由于電池容量較大，合理的管理體系對電池本體壽命以及儲能系統(tǒng)安全高效運行極為重要。

本文針對儲能領(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)的分層式儲能電池管理系統(tǒng)。

1 儲能電池管理系統(tǒng)功能

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

本文介紹的儲能電池管理系統(tǒng)采用分層式3層管理體系，如圖1所示，其中包括：底層——多個電池管理單元 BMU（battery management unit），主要完成單體電池電壓采集、多點溫度采集、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——多個電池簇管理系統(tǒng)BCMS（battery cluster management system），負責管理 1 個電池串中的全部BMU，BCMS負責電池串的總電壓采集、充放電電流采集、漏電檢測、故障報警，計算SOC和SOH，實現(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——一個電池系統(tǒng)單元管理系統(tǒng) BAMS（battery array management system），負責管理 1臺 PCS對應電池系統(tǒng)單元的全部BCMS，BAMS采用CAN通信收集各串電池的數(shù)據(jù)信息和報警，對電池系統(tǒng)單元的信息進行匯總、統(tǒng)計分析和處理，采用TCP/IP通信方式向微電網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)上報電池系統(tǒng)信息和報警，采用 Modbus TCP通信方式和PCS進行信息交互，從保護電池的角度實現(xiàn)PCS的優(yōu)化控制。

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

2 硬件電路設計

2.1 底層BMU硬件電路設計

BMU位于電池管理系統(tǒng)最底層，負責基礎的電池數(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)測電路、均衡電路、電池切換電路、供電電路、接口電路 6個部分。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LTC6802-2作為電池管理主芯片。LTC6802-2是一個完整的電池監(jiān)視IC，其中包括一個12位ADC、一個高精度參考電壓、一個高電壓輸入多路復用器和一個串行接口（SPI）。每個單元都有一個輸入相關(guān)聯(lián)的 MOSFET開關(guān)，可以對過充電的電池進行放電。通過該芯片，BMU可以檢測多達16路電池單體電壓和4路溫度。這兩個LTC6802-2分別通過一個數(shù)字隔離器、一個專有地址連接到單片機的串行端口（SPI）。

均衡電路分為補電均衡和放電均衡電路。補電均衡電路為隔離的 DC/DC電路，補電電路輸入為24 V 電源，其輸出端為 3.3 V/1.5 A，通過繼電器控制與單體電池兩極相連接；繼電器受BMU上單片機控制開合。另外，單片機通過 DC/DC電路使能端控制繼電器的零電流切換，避免在切換時造成沖擊。放電均衡電路采用外接 MOS開關(guān)管串聯(lián)放電電阻方式，MOS開關(guān)管由LTC6802控制通斷，電池對應的 MOS開關(guān)管打開時，電池通過外接放電電阻放電，放電電流達150 mA。均衡電路工作時，補電均衡同時只能給一路電池補電，而放電均衡可以多路同時進行。

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

圖3 BMU外觀實物圖 Fig.3 Physical map of BMU

2.2 中層BCMS硬件電路設計

BCMS負責管理一串電池組（電池簇），主要包括主控板、兩個主繼電器、預并聯(lián)電路、維護開關(guān)、斷路器、保險、高壓檢測電路、電流檢測電路、漏電流檢測電路等。主控板上采用雙單片機控制，主 CPU選用 16位低功耗 CMOS微處理器MC9S12DG128，負責整個主控板的運行管理，是整個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，專門用于電池串電流的高速采集與安時積分等相關(guān)計算。主、從CPU通訊通過SCI串口完成。BCMS原理如圖4所示，主控板實物如圖5所示。

2.3 頂層BAMS硬件電路設計

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主要包括兩個具有CAN接口和以太網(wǎng)接口的PLC、一個觸摸屏、一個指示燈板和一個三相電檢測板，如圖6所示。其中，PCS通訊的PLC負責傳輸實時性和重要性要求比較高的信息，這類信息數(shù)據(jù)量比較?。淮罅康臄?shù)據(jù)信息是通過另一個PLC傳遞給SCADA的，通訊的實時性要求不高，另外整個 BMS就地監(jiān)控顯示觸摸屏也是通過該PLC通訊的。匯流柜上還配置了一個指示燈板，每一個電池柜都分配了一對紅、綠指示燈，用于指示電池柜的運行狀態(tài)。另外，由于整個 BMS系統(tǒng)的控制電是通過UPS供給的，當系統(tǒng)掉電時，需要通過三相電檢測板檢測到系統(tǒng)的掉電/缺相狀態(tài)，以實現(xiàn)系統(tǒng)的及時停機。

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

圖5 BCMS主控板實物圖 Fig.5 Physical map of BCMS PCB

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

3 軟件設計

3.1 底層BMU軟件設計

BMU軟件主要是單片機軟件，采用功能模塊化設計。BMU主要分為電壓溫度測量模塊、補電放電均衡模塊和通訊模塊。

電壓溫度測量模塊中，單片機通過SPI通訊對LTC6802進行“寫”寄存器操作，實現(xiàn)LTC6802的初始化設定、電壓測量溫度測量開啟；通過SPI通訊對LTC6802進行“讀”寄存器操作，實現(xiàn)電壓溫度值讀取。

補電放電均衡模塊，補電部分通過單片機 I/O高低電平控制繼電器閉合和斷開。放電部分通過SPI通訊“寫”LTC6802的配置寄存器，來控制LTC6802芯片S管腳是否打開放電回路。

通訊模塊主要實現(xiàn)與BCMS的CAN通訊，根據(jù)訪問請求指令，上傳當前電池電壓溫度信息，根據(jù)均衡指令進行相應的均衡操作。

3.2 中層BCMS軟件設計

BCMS軟件主要是兩個單片機軟件，同樣采用功能模塊化設計。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)計算模塊和通訊模塊。

BCMS的電壓溫度處理模塊主要包括對以下參數(shù)的處理：單體最高電壓、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，主要包括均衡補電控制模塊和均衡放電控制模塊。電壓均衡控制每個BMU同時可對最多一路電池單體進行補電，控制每個 LTC6802同時可對最多 4路電池單體進行放電。本系統(tǒng)以單體電池的開路電壓作為均衡判斷依據(jù)，均衡只在電池靜置較長時間或電流停止達到一定時間后進行，此時單體電壓接近開路電壓。由于均衡電流會導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扇繼電器開合和控制電池串切換繼電器開合。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定時采樣電池串電流并計算電流積分，再通過串行通信接口SCI將電流和安時數(shù)傳遞給主CPU。

BCMS的核心參數(shù)計算模塊主要包括電池荷電狀態(tài)SOC計算，累計充電放電安時計算，最大充電電流和最大放電電流計算。如圖7所示，為SOC計算軟件流程圖，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)電池開路電壓進行SOC校正。SOC和電池開路電壓的具體對應關(guān)系由電池廠家提供。當電池充放電多次后，需要對電池的額定容量CN進行修正。

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

圖7 SOC計算軟件流程圖 Fig.7 Software flow diagram of SOC calculation

3.3 頂層BAMS軟件設計

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

其中，ESBMS作為保護電池的重要裝置，需要有完善可靠的報警系統(tǒng)。本系統(tǒng)采用三級結(jié)構(gòu)處理報警信息。第一級報警，系統(tǒng)某項參數(shù)接近安全閾值，BAMS給PCS和上層監(jiān)控系統(tǒng)上傳預警信號，該級報警信號僅為提示，PCS和上層監(jiān)控系統(tǒng)不做動作處理；第二級報警，系統(tǒng)某項參數(shù)達到安全閾值，BAMS上傳報警信號后，PCS會下發(fā)相應的動作指令，降額運行或者直接切除電池串；第三級報警，系統(tǒng)某項參數(shù)突然異常遠遠超過安全閾值，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，該部分軟件主要實現(xiàn)大量數(shù)據(jù)處理功能，對于MW級電池儲能系統(tǒng)，大約有近萬個變量需要實時更新，與下層BCMS檢測單元和上層監(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計的重點。

4 應用實例

該方案已經(jīng)在國內(nèi)某1 MW儲能項目中使用。該分層式儲能電池管理系統(tǒng)所服務電池為1 MW×2 h的磷酸鐵鋰蓄電池。分層式結(jié)構(gòu)設計為 1個BAMS管理 7個 BCMS，每個 BCMS管理 16個BMU。系統(tǒng)實現(xiàn)了電池堆的電壓、溫度、電流、SOC以及電池累計充放電容量等重要參數(shù)的計算，并可以在小電流狀態(tài)下實現(xiàn)電池單體充放電均衡，改善電池長時間充放電造成的電池一致性差異，從而延長電池使用壽命。另外，系統(tǒng)三層內(nèi)部使用500 K bps CAN通訊實現(xiàn)控制量、電池信息數(shù)據(jù)和報警信息數(shù)據(jù)的實時通訊，為儲能系統(tǒng)安全高效運行提供了重要保障。

如下圖所示為該1 MW儲能項目上層HMI界面截圖，圖8、圖9和圖10依次分別是電池組信息、電池單元詳細信息以及報警信息。

5 結(jié) 語

本文提出了一套適用于儲能系統(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。文中分別針對底層 BMU、中層 BCMS和底層 BAMS的硬件電路和軟件設計作了詳細說明。該方案已經(jīng)在國內(nèi)某1 MW儲能項目中使用，在不斷的實驗過程中證實了該方案的實用性與可行性，對改善電池使用壽命和對整個儲能系統(tǒng)的安全高效運行有重要的現(xiàn)實意義。

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

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

圖10 報警信息HMI界面 Fig.10 Alarm passage of HMI

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