鉅大LARGE | 點擊量：1418次 | 2020年04月07日
直流配電系統儲能電池的BMS設計
BMS強電部分集成了DC/DC充電模塊和強電模塊，用于處理儲能裝備的大電流充放電、電流采集以及充放電控制。儲能裝備直接掛載在48V直流母線上，在交直流供電裝備斷電，或母線電壓波動時，供應不間斷電能。
本文來源：直流建筑聯盟微信號DC_building
1、引言
直流配電系統儲能電池的能量管理系統（BatteryManageSystem,BMS）研制存在以下技術難點：1）實際使用環境在往往在高海拔地區，BMS電路芯片與其他電子元件在高海拔低壓環境下發生擊穿的風險不可忽視；2）采用三元鋰離子電池作為儲能元件能有效降低儲能裝備整備重量，但由于電芯材料活躍度高，在高溫狀態時易發生熱分解，引致電池起火、爆炸威脅電力系統和人身安全；3）采用帶有安全閥和鋼殼外套的18650電池可以在一定程度上減少電池起火風險，但多個串并聯單體組成的電池組在多次循環充放電后，電芯一致性逐漸變差，或因電池組PACK工藝不一致，造成各串聯電芯組電壓均衡失穩，影響電池組壽命，也同時帶來了充電過壓等安全隱患；4）鋰離子電池組有效荷電容量隨電池充放電次數的新增、電池組出廠時間的延長逐漸減小，而電芯材料技術正處于飛速發展階段，更迭換代速度快，在原電池失活后難以找到相同參數（同電壓平臺、同放電曲線、同容量等）的電芯進行替換。
以上問題對直流配電系統儲能電池的BMS設計提出了以下技術難點和要求：1）BMS電路及元件耐壓需進行高海拔修正設計，杜絕或謹慎使用低壓低溫敏感元件；2）加強電池熱能管理，合理新增電芯及PACK各部位的溫度采樣傳感器數量，有效采集電芯關鍵位置的溫度狀態，兼顧高/低溫狀態下的電池散熱和熱控；3）引入電芯單體均衡環節，以軟件主動/硬件被動的方式，在安全工作的前提下，高效設計電芯單體均衡體系；4）采用彈性設計理念，針對不同的電芯串聯個數、單體容量、平臺電壓等進行兼容設計，對不同的單體放電曲線，采用軟件定制的設計方式，保障BMS的通用性；5）合理管理電池充放電狀態，從全局出發整合充/放電電路，兼顧小電流充電/倍率放電和不間斷供電的實際需求。
符合Exic IIB T4 Gc防爆標準
充電溫度：0~45℃
-放電溫度：-40~+55℃
-40℃最大放電倍率：1C
-40℃ 0.5放電容量保持率≥70%
根據以上技術要求，對直流配電系統儲能電池BMS進行研制，采用NXP/Freescale主控芯片和LAPIS通信芯片為核心硬件架構。
2、儲能電池BMS硬件設計
儲能電池系統如圖1所示，該儲能裝備的BMS，由強電部分和弱電部分組成。
2.1BMS強電部分
BMS強電部分集成了DC/DC充電模塊和強電模塊，用于處理儲能裝備的大電流充放電、電流采集以及充放電控制。儲能裝備直接掛載在48V直流母線上，在交直流供電裝備斷電，或母線電壓波動時，供應不間斷電能。
圖1直流配電系統儲能裝備電路原理
圖2儲能電池系統BMS硬件部分
雙向DC/DC限流充電模塊直接掛載在48V直流母線上，參數為為：DC500W（48V/10.4A），可根據鋰離子電池電壓動態調整充電電壓、電流。DC/DC充電模塊為兩段充電的形式，當電池組端電壓低于47.5V時為大電流充電，電池電壓高于47.5V時，采用涓流充電，電流逐漸減少到0，同時電池端電壓逐漸新增到48V。
2.2BMS弱電部分
弱電部分是BMS的核心部分，與強電部分和電池組相連，由電池組供電。如圖2所示，BMS弱電部分由主控芯片模塊、電池管理芯片模塊、RS485/RS422串口通信模塊，電池均衡模塊以及外圍電路等組成，用于采集鋰離子電池組電壓、溫度，電池充電均衡、實時監控鋰離子電池的工作狀態并反饋給上位機。考慮到硬件的廣泛兼容性需求，BMS弱電部分設計為6~16串的18650電池進行通用管理。
如圖3所示，溫度探頭在電池包中設置在電池PACK內的五個溫度敏感位置，分別為通信口，充放電口，箱體正中，弱電部分芯片板，強電部分控制板處，以充分了解電池PACK的各個敏感位置的溫度狀態。
圖3溫度傳感器位置
均衡模塊硬件部分采用的是被動均衡模式（有損均衡），電路簡單，成本較低。在電池堆上并聯一個由分流電阻和開關MOS管組成的均衡模塊；均衡模塊的軟件部分由主控芯片控制，電源管理芯片執行。當采集到電池的最高電壓Vmax和最低電壓Vmin滿足。
由電池管理芯片將最高電壓的電池堆上并聯的MOS管柵極導通，電流經過分流電阻，起到均衡的用途。均衡電流應合理選擇，均衡電流過小則效果不明顯，均衡電流過大則系統的能量損耗大，導致均衡效率低。此處設計均衡電流Iblc為50~100mA；設計電池最高電壓Vmax為4.3V，最低電壓Vmin為2.8V，在充電時均衡開啟，分流電阻Rsnt將成為電池的旁路負載，因此有：
因此有：
按照元件規格選取分流電阻為47Ω。
串口通信模塊同時支持RS485與RS422兩種通信模式，用于將電池狀態數據傳輸給上位機。關于以上兩種通訊方式分別選取MAXIM485/488芯片，均采用半雙工的工作模式。電路中采用NECR2561光耦進行光電隔離，增強通信模塊的抗干擾能力，通信模塊與主控芯片系統不共地，有效抑制高共模電壓的出現，降低芯片損壞率，從而提高系統的穩定性。
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