1、引言

直流配電系統(tǒng)儲(chǔ)能電池的能量管理系統(tǒng)（BatteryManage System, BMS）研制存在以下技術(shù)難點(diǎn)：

1）實(shí)際使用環(huán)境在往往在高海拔地區(qū)，BMS電路芯片與其他電子元件在高海拔低壓環(huán)境下發(fā)生擊穿的風(fēng)險(xiǎn)不可忽視；

2）采用三元鋰電池作為儲(chǔ)能元件能有效降低儲(chǔ)能裝備整備重量，但由于電芯材料活躍度高，在高溫狀態(tài)時(shí)易發(fā)生熱分解，引致電池起火、爆炸威脅電力系統(tǒng)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(fēng)險(xiǎn)，但多個(gè)串并聯(lián)單體組成的電池組在多次循環(huán)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(lián)電芯組電壓均衡失穩(wěn)，影響電池組壽命，也同時(shí)帶來(lái)了充電過(guò)壓等安全隱患；

4）鋰電池組有效荷電容量隨電池充放電次數(shù)的增加、電池組出廠時(shí)間的延長(zhǎng)逐漸減小，而電芯材料技術(shù)正處于飛速發(fā)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(shù)（同電壓平臺(tái)、同放電曲線、同容量等）的電芯進(jìn)行替換。

以上問(wèn)題對(duì)直流配電系統(tǒng)儲(chǔ)能電池的BMS設(shè)計(jì)提出了以下技術(shù)難點(diǎn)和要求：

1）BMS電路及元件耐壓需進(jìn)行高海拔修正設(shè)計(jì)，杜絕或謹(jǐn)慎使用低壓低溫敏感元件；

2）加強(qiáng)電池?zé)崮芄芾?，合理增加電芯及PACK各部位的溫度采樣傳感器數(shù)量，有效采集電芯關(guān)鍵位置的溫度狀態(tài)，兼顧高/低溫狀態(tài)下的電池散熱和熱控；

3）引入電芯單體均衡環(huán)節(jié)，以軟件主動(dòng)/硬件被動(dòng)的方式，在安全工作的前提下，高效設(shè)計(jì)電芯單體均衡體系；

4）采用彈性設(shè)計(jì)理念，針對(duì)不同的電芯串聯(lián)個(gè)數(shù)、單體容量、平臺(tái)電壓等進(jìn)行兼容設(shè)計(jì)，對(duì)不同的單體放電曲線，采用軟件定制的設(shè)計(jì)方式，保障BMS的通用性；

5）合理管理電池充放電狀態(tài)，從全局出發(fā)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(shí)際需求。

根據(jù)以上技術(shù)要求，對(duì)直流配電系統(tǒng)儲(chǔ)能電池BMS進(jìn)行研制，采用NXP/Freescale主控芯片和LAPIS通信芯片為核心硬件架構(gòu)。

2、儲(chǔ)能電池BMS硬件設(shè)計(jì)

儲(chǔ)能電池系統(tǒng)如圖1所示，該儲(chǔ)能裝備的BMS，由強(qiáng)電部分和弱電部分組成。

2.1 BMS強(qiáng)電部分

BMS強(qiáng)電部分集成了DC/DC充電模塊和強(qiáng)電模塊，用于處理儲(chǔ)能裝備的大電流充放電、電流采集以及充放電控制。儲(chǔ)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(dòng)時(shí)，提供不間斷電能。

圖1 直流配電系統(tǒng)儲(chǔ)能裝備電路原理

圖2 儲(chǔ)能電池系統(tǒng)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(shù)為為：DC500W（48V/10.4A），可根據(jù)鋰電池電壓動(dòng)態(tài)調(diào)整充電電壓、電流。DC/DC充電模塊為兩段充電的形式，當(dāng)電池組端電壓低于47.5V時(shí)為大電流充電，電池電壓高于47.5V時(shí)，采用涓流充電，電流逐漸減少到0，同時(shí)電池端電壓逐漸增加到48V。

2.2 BMS弱電部分

弱電部分是BMS的核心部分，與強(qiáng)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，用于采集鋰電池組電壓、溫度，電池充電均衡、實(shí)時(shí)監(jiān)控鋰電池的工作狀態(tài)并反饋給上位機(jī)?？紤]到硬件的廣泛兼容性需求，BMS弱電部分設(shè)計(jì)為6~16串的18650電池進(jìn)行通用管理。

如圖3所示，溫度探頭在電池包中設(shè)置在電池PACK內(nèi)的五個(gè)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(qiáng)電部分控制板處，以充分了解電池PACK的各個(gè)敏感位置的溫度狀態(tài)。

圖3 溫度傳感器位置

均衡模塊硬件部分采用的是被動(dòng)均衡模式（有損均衡），電路簡(jiǎn)單，成本較低。在電池堆上并聯(lián)一個(gè)由分流電阻和開關(guān)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(zhí)行。當(dāng)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(lián)的MOS管柵極導(dǎo)通，電流經(jīng)過(guò)分流電阻，起到均衡的作用。均衡電流應(yīng)合理選擇，均衡電流過(guò)小則效果不明顯，均衡電流過(guò)大則系統(tǒng)的能量損耗大，導(dǎo)致均衡效率低。此處設(shè)計(jì)均衡電流Iblc為50100mA；設(shè)計(jì)電池最高電壓Vmax為4.3V，最低電壓Vmin為2.8V，在充電時(shí)均衡開啟，分流電阻Rsnt~將成為電池的旁路負(fù)載，因此有：

因此有：

按照元件規(guī)格選取分流電阻為47Ω。

串口通信模塊同時(shí)支持RS485與RS422兩種通信模式，用于將電池狀態(tài)數(shù)據(jù)傳輸給上位機(jī)。對(duì)于以上兩種通訊方式分別選取MAXIM 485/488芯片，均采用半雙工的工作模式。電路中采用NEC R2561光耦進(jìn)行光電隔離，增強(qiáng)通信模塊的抗干擾能力，通信模塊與主控芯片系統(tǒng)不共地，有效抑制高共模電壓的產(chǎn)生，降低芯片損壞率，從而提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

3、BMS軟件設(shè)計(jì)

3.1 軟件流程

圖4所示為BMS軟件流程圖，BMS軟件的設(shè)計(jì)目的是完整的儲(chǔ)能裝備控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)電池電壓、電流、溫度采集，電池荷電狀態(tài)的估算，單體電壓均衡，過(guò)充過(guò)放保護(hù)，與上位機(jī)通信功能。BMS的軟件設(shè)計(jì)思想采用模塊化和層次化的設(shè)計(jì)思路。模塊化是將要實(shí)現(xiàn)的同一功能綜合到一個(gè)代碼段內(nèi)部進(jìn)行統(tǒng)一管理，便于修改。

多個(gè)軟件功能使用用單獨(dú)函數(shù)實(shí)現(xiàn)，程序得以分割；另外單獨(dú)函數(shù)在一定程度上可以被復(fù)用。層次化是在軟件運(yùn)行中將一個(gè)工作分成多個(gè)環(huán)節(jié)，分別由不同的硬件和軟件模塊完成，以便于程序內(nèi)部各個(gè)函數(shù)之間進(jìn)行通訊，調(diào)用和維護(hù)。BMS系統(tǒng)在運(yùn)行主程序時(shí)，不斷地調(diào)用各個(gè)獨(dú)立的子函數(shù)，來(lái)協(xié)同完成對(duì)數(shù)據(jù)的采集和處理。

BMS軟件首先進(jìn)行系統(tǒng)初始化：任務(wù)是完成硬件上電檢查，各個(gè)功能模塊的初始化以及應(yīng)用程序的初始化。初始化模塊包含軟件定時(shí)器、外圍通信協(xié)議SPI初始化、存儲(chǔ)器、A/D模塊、串口通信SCI、總線時(shí)鐘、指示燈設(shè)置等初始化模塊；應(yīng)用程序初始化包含對(duì)各個(gè)變量初始值的設(shè)定、相關(guān)變量和數(shù)組的申明、通訊協(xié)議以及電壓、電流及溫度保護(hù)上限和下限預(yù)設(shè)值的定義等。

其中保護(hù)上下限值、電池總安時(shí)數(shù)等預(yù)設(shè)值還可以通過(guò)BMS串口通信進(jìn)行在線設(shè)定，以增加系統(tǒng)的彈性穩(wěn)定性。第二獲取各初始值并進(jìn)行初始值狀態(tài)判定，并寫入通訊芯片的寄存器中。然后軟件進(jìn)入采集循環(huán)，通過(guò)調(diào)用子程序進(jìn)入中斷，查詢、操作與中斷返回的方式獲取電池多個(gè)關(guān)鍵信息，執(zhí)行多項(xiàng)電池操作。在中斷執(zhí)行完后返回主函數(shù)循環(huán)。軟件通過(guò)不斷跳出與返回循環(huán)，完成系統(tǒng)各項(xiàng)任務(wù)。

圖4 軟件流程圖

3.2 中斷響應(yīng)

串口通訊是通過(guò)響應(yīng)串口中斷來(lái)實(shí)現(xiàn)的，程序中除了串口還設(shè)置有定時(shí)中斷和電流檢測(cè)中斷等。對(duì)于本系統(tǒng)主芯片MC9S08DZ60的中斷優(yōu)先級(jí)如表1所示。

表1 中斷優(yōu)先級(jí)

主程序中采用的是定時(shí)中斷的處理方法，每個(gè)中斷響應(yīng)時(shí)，完成不同的任務(wù)。中斷響應(yīng)以后，程序主要采集電壓、溫度、電流值；鋰電池狀態(tài)判定；控制FET對(duì)電池的充放電開關(guān)控制，鋰電池單體電壓的均衡控制，電池剩余容量SOC的估算等。系統(tǒng)和上位機(jī)的通信采用的是串口中斷通信，上位機(jī)以MODBUS協(xié)議為基礎(chǔ)改編，在芯片接收代碼并校驗(yàn)以后，讀取寄存器中的各項(xiàng)數(shù)據(jù)值，返回至上位機(jī)，供監(jiān)測(cè)人員實(shí)時(shí)觀測(cè)狀態(tài)。通訊協(xié)議中支持讀取芯片寄存器中的內(nèi)容，同樣也支持修改寄存器中初始化設(shè)定的各項(xiàng)預(yù)設(shè)值，便于根據(jù)不同的使用狀態(tài)來(lái)修改上下限值。

3.3 電池控制

儲(chǔ)能裝備掛載在直流母線上，需要進(jìn)行全面控制，避免電池組出現(xiàn)失控情況。表2所示為電池組控制表，對(duì)電池組截止電壓、截止電流、高低溫以及電池單體均衡進(jìn)行控制，當(dāng)控制變量超過(guò)限定值時(shí)進(jìn)行控制，待控制變量恢復(fù)到限定值內(nèi)時(shí)解除控制。

表2 電池組控制表

其中電壓控制、充電電流控制由電池單體性能決定；放電過(guò)電流控制是為避免母線短路情況下的電池過(guò)放采取的控制手段；高低溫控制是根據(jù)儲(chǔ)能裝備的實(shí)際使用環(huán)境確定的-10℃~50℃的保護(hù)值；電池均衡是解決電池單體電壓失衡的有效手段。

4、測(cè)試及實(shí)際應(yīng)用

4.1 儲(chǔ)能裝備測(cè)試

將BMS電路板放入老化試驗(yàn)箱48h進(jìn)行設(shè)備老化測(cè)試后，與電池組、箱體等進(jìn)行組裝，PACK完成后的儲(chǔ)能裝備如圖所示。測(cè)試分為環(huán)境試驗(yàn)和功能測(cè)試兩部分。

根據(jù)儲(chǔ)能裝備實(shí)際使用環(huán)境，結(jié)合技術(shù)要求進(jìn)行模擬環(huán)境測(cè)試。測(cè)試條件為：

表3 儲(chǔ)能裝備測(cè)試條件

表4所示為儲(chǔ)能裝備的環(huán)境測(cè)試結(jié)果。由表4可知：儲(chǔ)能裝備在低壓低溫、低壓高溫、常壓低溫、常壓高溫的4類低頻隨機(jī)振動(dòng)環(huán)境下，充放電狀態(tài)符合軟件邏輯，通信狀態(tài)均正常，裝備狀態(tài)均可正常使用。

表4 儲(chǔ)能裝備環(huán)境測(cè)試結(jié)果

注：A低溫B高溫M低壓L常壓Fc振動(dòng)