钜大LARGE | 点击量：1400次 | 2020年04月07日
直流配电系统储能电池的BMS设计
BMS强电部分集成了DC/DC充电模块和强电模块，用于处理储能装备的大电流充放电、电流采集以及充放电控制。储能装备直接挂载在48V直流母线上，在交直流供电装备断电，或母线电压波动时，供应不间断电能。
本文来源：直流建筑联盟微信号DC_building
1、引言
直流配电系统储能电池的能量管理系统（BatteryManageSystem,BMS）研制存在以下技术难点：1）实际使用环境在往往在高海拔地区，BMS电路芯片与其他电子元件在高海拔低压环境下发生击穿的风险不可忽视；2）采用三元锂离子电池作为储能元件能有效降低储能装备整备重量，但由于电芯材料活跃度高，在高温状态时易发生热分解，引致电池起火、爆炸威胁电力系统和人身安全；3）采用带有安全阀和钢壳外套的18650电池可以在一定程度上减少电池起火风险，但多个串并联单体组成的电池组在多次循环充放电后，电芯一致性逐渐变差，或因电池组PACK工艺不一致，造成各串联电芯组电压均衡失稳，影响电池组寿命，也同时带来了充电过压等安全隐患；4）锂离子电池组有效荷电容量随电池充放电次数的新增、电池组出厂时间的延长逐渐减小，而电芯材料技术正处于飞速发展阶段，更迭换代速度快，在原电池失活后难以找到相同参数（同电压平台、同放电曲线、同容量等）的电芯进行替换。
以上问题对直流配电系统储能电池的BMS设计提出了以下技术难点和要求：1）BMS电路及元件耐压需进行高海拔修正设计，杜绝或谨慎使用低压低温敏感元件；2）加强电池热能管理，合理新增电芯及PACK各部位的温度采样传感器数量，有效采集电芯关键位置的温度状态，兼顾高/低温状态下的电池散热和热控；3）引入电芯单体均衡环节，以软件主动/硬件被动的方式，在安全工作的前提下，高效设计电芯单体均衡体系；4）采用弹性设计理念，针对不同的电芯串联个数、单体容量、平台电压等进行兼容设计，对不同的单体放电曲线，采用软件定制的设计方式，保障BMS的通用性；5）合理管理电池充放电状态，从全局出发整合充/放电电路，兼顾小电流充电/倍率放电和不间断供电的实际需求。
符合Exic IIB T4 Gc防爆标准
充电温度：0~45℃
-放电温度：-40~+55℃
-40℃最大放电倍率：1C
-40℃ 0.5放电容量保持率≥70%
根据以上技术要求，对直流配电系统储能电池BMS进行研制，采用NXP/Freescale主控芯片和LAPIS通信芯片为核心硬件架构。
2、储能电池BMS硬件设计
储能电池系统如图1所示，该储能装备的BMS，由强电部分和弱电部分组成。
2.1BMS强电部分
BMS强电部分集成了DC/DC充电模块和强电模块，用于处理储能装备的大电流充放电、电流采集以及充放电控制。储能装备直接挂载在48V直流母线上，在交直流供电装备断电，或母线电压波动时，供应不间断电能。
图1直流配电系统储能装备电路原理
图2储能电池系统BMS硬件部分
双向DC/DC限流充电模块直接挂载在48V直流母线上，参数为为：DC500W（48V/10.4A），可根据锂离子电池电压动态调整充电电压、电流。DC/DC充电模块为两段充电的形式，当电池组端电压低于47.5V时为大电流充电，电池电压高于47.5V时，采用涓流充电，电流逐渐减少到0，同时电池端电压逐渐新增到48V。
2.2BMS弱电部分
弱电部分是BMS的核心部分，与强电部分和电池组相连，由电池组供电。如图2所示，BMS弱电部分由主控芯片模块、电池管理芯片模块、RS485/RS422串口通信模块，电池均衡模块以及外围电路等组成，用于采集锂离子电池组电压、温度，电池充电均衡、实时监控锂离子电池的工作状态并反馈给上位机。考虑到硬件的广泛兼容性需求，BMS弱电部分设计为6~16串的18650电池进行通用管理。
如图3所示，温度探头在电池包中设置在电池PACK内的五个温度敏感位置，分别为通信口，充放电口，箱体正中，弱电部分芯片板，强电部分控制板处，以充分了解电池PACK的各个敏感位置的温度状态。
图3温度传感器位置
均衡模块硬件部分采用的是被动均衡模式（有损均衡），电路简单，成本较低。在电池堆上并联一个由分流电阻和开关MOS管组成的均衡模块；均衡模块的软件部分由主控芯片控制，电源管理芯片执行。当采集到电池的最高电压Vmax和最低电压Vmin满足。
由电池管理芯片将最高电压的电池堆上并联的MOS管栅极导通，电流经过分流电阻，起到均衡的用途。均衡电流应合理选择，均衡电流过小则效果不明显，均衡电流过大则系统的能量损耗大，导致均衡效率低。此处设计均衡电流Iblc为50~100mA；设计电池最高电压Vmax为4.3V，最低电压Vmin为2.8V，在充电时均衡开启，分流电阻Rsnt将成为电池的旁路负载，因此有：
因此有：
按照元件规格选取分流电阻为47Ω。
串口通信模块同时支持RS485与RS422两种通信模式，用于将电池状态数据传输给上位机。关于以上两种通讯方式分别选取MAXIM485/488芯片，均采用半双工的工作模式。电路中采用NECR2561光耦进行光电隔离，增强通信模块的抗干扰能力，通信模块与主控芯片系统不共地，有效抑制高共模电压的出现，降低芯片损坏率，从而提高系统的稳定性。
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