一种分层式储能电池管理系统

裴丽娜，黄 哲，董德鑫

（北京华电天仁电力控制技术有限公司，北京 100039）

储能电池管理系统（ESBMS，energy storage battery management system）是针对储能领域对电池管理系统的特殊要求提出的新系统。由于风能、太阳能等新能源发电具有其固有的间歇性、随机性的特点，会对电网的安全、稳定运行带来不利影响[1]。发展储能技术可以提高其运行质量。合理高效的电池管理系统对电池堆的寿命以及整个储能系统的安全性有着至关重要的作用[2]。

现有的电池管理系统大都是从电动汽车电池管理系统直接引用过来的。国内外针对电动汽车应用的电池管理系统均投入大量的人力、物力，开展广泛深入的研究。日本青森工业研究中心从1997年至今，仍在持续进行电池管理系统（BMS）实际应用的研究；美国Villanova大学和USNanocorp公司已经合作多年对各种类型的电池 SOC进行基于模糊逻辑的预测；丰田、本田以及通用汽车公司等都把BMS纳入技术开发的重点。我国对电动车的发展十分重视，在“十五”规划中被列为国家高科技攻关项目，同时被列为国家“863”科技攻关项目，其中清华大学、北京理工大学以及北方交通大学都对电动汽车的电池管理系统进行了研究。电动汽车管理系统服务电池容量小、功能单一、实时性较差，对大容量储能系统并不适用。

储能电池管理系统研究的要点是如何掌握大容量电池堆中每个电池单元的状态，并据此对蓄电池进行管理。兆瓦级储能系统中的大容量电池串联，对电池的一致性管理提出了更严格的要求。电池在经过多次充放电后单体性能会产生不一致，导致电池整体性能变差，影响电池寿命和电池堆荷电状态SOC计算准确度[3]。这就需要电池管理系统除了实时检测电池状态并及时上传给能量转换 PCS系统和上层监控系统外，还需要有合理高效的均衡模块，对电池组可能出现的故障进行报警并保护电池本体的功能。另外，由于电池容量较大，合理的管理体系对电池本体寿命以及储能系统安全高效运行极为重要。

本文针对储能领域对电池管理系统的特殊要求，提出了一种3层管理系统架构的分层式储能电池管理系统。

1 储能电池管理系统功能

储能电池管理系统（ESBMS）作为储能电池系统的重要组成部分，是用于监测、评估及保护电池运行状态的电子设备集合[4,8-10]，包括：监测并传递电池、电池组及电池系统单元的运行状态信息，如电池电压、电流、温度以及保护量等；评估计算电池的荷电状态SOC、寿命健康状态SOH及电池累计处理能量等；保护电池安全等。ESBMS具有检测与计算、电池单体均衡管理、高压管理、统计存储、充放电管理、报警和通信功能。

本文介绍的储能电池管理系统采用分层式3层管理体系，如图1所示，其中包括：底层——多个电池管理单元 BMU（battery management unit），主要完成单体电池电压采集、多点温度采集、电池组均衡控制功能，并采用 CAN总线和中间层交互信息，BMU是电池管理系统中最基本的单元，它的检测精度、数据的可靠传输是电池管理系统的基本前提；中层——多个电池簇管理系统BCMS（battery cluster management system），负责管理 1 个电池串中的全部BMU，BCMS负责电池串的总电压采集、充放电电流采集、漏电检测、故障报警，计算SOC和SOH，实现高压管理，在BMU协同下完成整串 电池的均衡控制，采用CAN总线和底层BMU以及顶层BAMS交互信息；顶层——一个电池系统单元管理系统 BAMS（battery array management system），负责管理 1台 PCS对应电池系统单元的全部BCMS，BAMS采用CAN通信收集各串电池的数据信息和报警，对电池系统单元的信息进行汇总、统计分析和处理，采用TCP/IP通信方式向微电网监控系统上报电池系统信息和报警，采用 Modbus TCP通信方式和PCS进行信息交互，从保护电池的角度实现PCS的优化控制。

图1 分层式储能电池管理系统构架 Fig.1 Distributed system framed structures of energy storage battery management

2 硬件电路设计

2.1 底层BMU硬件电路设计

BMU位于电池管理系统最底层，负责基础的电池数据采集、电池均衡充放电与BCMS数据通讯等功能。主要包括CPU主控电路、电池监测电路、均衡电路、电池切换电路、供电电路、接口电路 6个部分。BMU原理如图2所示。

图2 BMU原理框图 Fig.2 Functional block diagram of BMU

BMU选用飞思卡尔公司的8位低功耗CMOS微处理器MC9S08DZ60。采用两个LTC6802-2作为电池管理主芯片。LTC6802-2是一个完整的电池监视IC，其中包括一个12位ADC、一个高精度参考电压、一个高电压输入多路复用器和一个串行接口（SPI）。每个单元都有一个输入相关联的 MOSFET开关，可以对过充电的电池进行放电。通过该芯片，BMU可以检测多达16路电池单体电压和4路温度。这两个LTC6802-2分别通过一个数字隔离器、一个专有地址连接到单片机的串行端口（SPI）。

均衡电路分为补电均衡和放电均衡电路。补电均衡电路为隔离的 DC/DC电路，补电电路输入为24 V 电源，其输出端为 3.3 V/1.5 A，通过继电器控制与单体电池两极相连接；继电器受BMU上单片机控制开合。另外，单片机通过 DC/DC电路使能端控制继电器的零电流切换，避免在切换时造成冲击。放电均衡电路采用外接 MOS开关管串联放电电阻方式，MOS开关管由LTC6802控制通断，电池对应的 MOS开关管打开时，电池通过外接放电电阻放电，放电电流达150 mA。均衡电路工作时，补电均衡同时只能给一路电池补电，而放电均衡可以多路同时进行。

如图 3所示，BMU安装在电池组壳体前壁。每个BMU板可检测最多16路电池单体电压和4路温度。

图3 BMU外观实物图 Fig.3 Physical map of BMU

2.2 中层BCMS硬件电路设计

BCMS负责管理一串电池组（电池簇），主要包括主控板、两个主继电器、预并联电路、维护开关、断路器、保险、高压检测电路、电流检测电路、漏电流检测电路等。主控板上采用双单片机控制，主 CPU选用 16位低功耗 CMOS微处理器MC9S12DG128，负责整个主控板的运行管理，是整个BMS系统的核心。主CPU提供双CAN接口UPCAN和LOWCAN，用于和BMU以及BAMS的通讯连接。从 CPU选用 MC9S08DZ60，专门用于电池串电流的高速采集与安时积分等相关计算。主、从CPU通讯通过SCI串口完成。BCMS原理如图4所示，主控板实物如图5所示。

2.3 顶层BAMS硬件电路设计

电池系统单元管理系统BAMS位于汇流柜中，主要完成数据汇总和统计分析处理以及与BCMS、双向变流器（PCS）和中央监控系统（SCADA）的通信。BAMS主要包括两个具有CAN接口和以太网接口的PLC、一个触摸屏、一个指示灯板和一个三相电检测板，如图6所示。其中，PCS通讯的PLC负责传输实时性和重要性要求比较高的信息，这类信息数据量比较小；大量的数据信息是通过另一个PLC传递给SCADA的，通讯的实时性要求不高，另外整个 BMS就地监控显示触摸屏也是通过该PLC通讯的。汇流柜上还配置了一个指示灯板，每一个电池柜都分配了一对红、绿指示灯，用于指示电池柜的运行状态。另外，由于整个 BMS系统的控制电是通过UPS供给的，当系统掉电时，需要通过三相电检测板检测到系统的掉电/缺相状态，以实现系统的及时停机。

图4 BCMS原理框图 Fig.4 Functional block diagram of BCMS

图5 BCMS主控板实物图 Fig.5 Physical map of BCMS PCB

图6 BAMS原理框图 Fig.6 Functional block diagram of BAMS

3 软件设计

3.1 底层BMU软件设计

BMU软件主要是单片机软件，采用功能模块化设计。BMU主要分为电压温度测量模块、补电放电均衡模块和通讯模块。

电压温度测量模块中，单片机通过SPI通讯对LTC6802进行“写”寄存器操作，实现LTC6802的初始化设定、电压测量温度测量开启；通过SPI通讯对LTC6802进行“读”寄存器操作，实现电压温度值读取。

补电放电均衡模块，补电部分通过单片机 I/O高低电平控制继电器闭合和断开。放电部分通过SPI通讯“写”LTC6802的配置寄存器，来控制LTC6802芯片S管脚是否打开放电回路。

通讯模块主要实现与BCMS的CAN通讯，根据访问请求指令，上传当前电池电压温度信息，根据均衡指令进行相应的均衡操作。

3.2 中层BCMS软件设计

BCMS软件主要是两个单片机软件，同样采用功能模块化设计。BCMS是电池管理系统的核心，包括电压温度处理模块、均衡控制模块、继电器控制模块、AD采集模块、核心参数计算模块和通讯模块。

BCMS的电压温度处理模块主要包括对以下参数的处理：单体最高电压、单体最低电压、单体平均电压、电池箱最高温度、电池箱最低温度、电池箱平均温度。

BCMS的均衡控制模块，主要包括均衡补电控制模块和均衡放电控制模块。电压均衡控制每个BMU同时可对最多一路电池单体进行补电，控制每个 LTC6802同时可对最多 4路电池单体进行放电。本系统以单体电池的开路电压作为均衡判断依据，均衡只在电池静置较长时间或电流停止达到一定时间后进行，此时单体电压接近开路电压。由于均衡电流会导致被均衡单体的电压出现变化，为防止均衡电路的频繁切换，采取周期性均衡[5-7]。

BCMS的继电器控制模块包括控制风扇继电器开合和控制电池串切换继电器开合。其中电池串切换继电器控制电池串接入 PCS系统或者退出 PCS系统。

BCMS的AD采集模块主要包括电池串电流采集、电池串电压采集和漏电流采集。BCMS采用双CPU模式，从CPU定时采样电池串电流并计算电流积分，再通过串行通信接口SCI将电流和安时数传递给主CPU。

BCMS的核心参数计算模块主要包括电池荷电状态SOC计算，累计充电放电安时计算，最大充电电流和最大放电电流计算。如图7所示，为SOC计算软件流程图，SOC采用电流积分的方法，在SOC为 0～10%以及 90%～100%区间根据电池开路电压进行SOC校正。SOC和电池开路电压的具体对应关系由电池厂家提供。当电池充放电多次后，需要对电池的额定容量CN进行修正。

BCMS的通讯模块由两部分组成，第一部分是BCMS与多个底层BMU通讯，第二部分是BCMS与上层BAMS通讯。

图7 SOC计算软件流程图 Fig.7 Software flow diagram of SOC calculation

3.3 顶层BAMS软件设计

BAMS软件主要是PLC软件，主要采用功能模块化设计，是由电池信息汇总模块、系统报警信息处理模块、BAMS_PCS通讯模块、BAMS_上层监控系统通讯模块组成。

其中，ESBMS作为保护电池的重要装置，需要有完善可靠的报警系统。本系统采用三级结构处理报警信息。第一级报警，系统某项参数接近安全阈值，BAMS给PCS和上层监控系统上传预警信号，该级报警信号仅为提示，PCS和上层监控系统不做动作处理；第二级报警，系统某项参数达到安全阈值，BAMS上传报警信号后，PCS会下发相应的动作指令，降额运行或者直接切除电池串；第三级报警，系统某项参数突然异常远远超过安全阈值，BAMS不通知PCS和上层监控系统，直接切除异常电池串。

另外，该部分软件主要实现大量数据处理功能，对于MW级电池储能系统，大约有近万个变量需要实时更新，与下层BCMS检测单元和上层监控系统以及PCS均有数据相互交换，因此通讯的逻辑可靠性也是本层软件设计的重点。

4 应用实例

该方案已经在国内某1 MW储能项目中使用。该分层式储能电池管理系统所服务电池为1 MW×2 h的磷酸铁锂蓄电池。分层式结构设计为 1个BAMS管理 7个 BCMS，每个 BCMS管理 16个BMU。系统实现了电池堆的电压、温度、电流、SOC以及电池累计充放电容量等重要参数的计算，并可以在小电流状态下实现电池单体充放电均衡，改善电池长时间充放电造成的电池一致性差异，从而延长电池使用寿命。另外，系统三层内部使用500 K bps CAN通讯实现控制量、电池信息数据和报警信息数据的实时通讯，为储能系统安全高效运行提供了重要保障。

如下图所示为该1 MW储能项目上层HMI界面截图，图8、图9和图10依次分别是电池组信息、电池单元详细信息以及报警信息。

5 结 语

本文提出了一套适用于储能系统大容量电池堆的电池管理系统，该电池管理系统采用分层式3层管理体系。文中分别针对底层 BMU、中层 BCMS和底层 BAMS的硬件电路和软件设计作了详细说明。该方案已经在国内某1 MW储能项目中使用，在不断的实验过程中证实了该方案的实用性与可行性，对改善电池使用寿命和对整个储能系统的安全高效运行有重要的现实意义。

图8 电池组信息HMI界面 Fig.8 Battery pack passage of HMI

图9 电池单元详细信息HMI界面 Fig.9 Battery unit detailed passage of HMI

图10 报警信息HMI界面 Fig.10 Alarm passage of HMI

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