储能应用中的ＢＭＳ系统设计

概要：设计了一款适用于储能应用中的电池管理系统。该系统为３层结构，采用ＭＣ３３７７１作为模拟量采样芯片，实现了电池的电压、电流、温度等数据的获取，并在此基础上完成了其他需求功能。以储能系统中广泛使用的钛酸锂电池为实际测试对象，测试结果表明所设计的ＢＭＳ系统能够实现对电池各项信息的准确采样，其中电压测量误差不超过２ｍＶ，电流采样误差在0.1％以内，并可有效完成各项设定功能，满足储能应用需求。

随着传统能源的日益减少，新能源发电技术凭借环保无污染的优点越来越受到人们的关注，然而新能源发电具有波动性和不确定性，会产生严重的谐波干扰，甚至导致电网崩溃。为了解决这些问题，一般采用锂电池储能电站的方式降低功率波动对电网造成的危害。储能电站一般由成千上万的单体电池串并联而成，为了确保这些单体电池能够安全有效运行，需要采用专门的电池管理系统（ＢＭＳ）对电池进行监控和管理。
现有的ＢＭＳ系统主要是针对电动汽车设计的，与电动汽车相比，储能系统中含有的串并联单体电池数量更多，导致储能系统结构更加复杂，对ＢＭＳ系统的处理能力要求也大大提高，因此为了更好地满足储能系统的实际需求，需要对储能中ＢＭＳ系统的功能和结构进行分析，并在此基础上设计一款适用于储能应用的ＢＭＳ系统。为此，基于对储能中ＢＭＳ系统功能需求的分析及各主流电池管理芯片参数的对比，选择ＮＸＰ公司生产的ＭＣ３３７７１作为ＢＭＳ系统中的模拟量采样芯片，并设计了３层系统结构，实现电池电压、温度、电流等模拟量的采样，并完成系统其他功能设计。以钛酸锂电池组为测试对象，结果表明，所设计的ＢＭＳ系统能够准确采样各种信息并以此为基础实现其他设定的功能，能够满足储能系统的使用需求。
１ 储能应用中的ＢＭＳ结构
对比目前常见的几种主流电池模拟量采样芯片，ＭＣ３３７７１具有更多的电压采样通道以及宽温范围内最高的测量精度，并且采用菊花链通信的方式省去了昂贵的数字隔离器，因此采用ＭＣ３３７７１作为模拟量采样芯片。
采用菊花链通信的方式１ 次最多可挂接１５ 个ＭＣ３３７７１，而每个ＭＣ３３７７１可管理１４串电池，所以１个控制器通过１条菊花链最多可实现对２１０节电池的管理。而每个控制器之间则可通过１个主控制器完成系统整体的运行和协调，实现管理更多电池的功能，并且采用主从控制器结合的方式能够避免单个控制器任务量过大，影响系统实时处理能力的问题。为此，本文采用３层结构的方案，具体结构框图如图１所示。底层是ＭＣ３３７７１及其附属电路构成的ＢＳＵ，负责采集电池各项信息；中间层是从控制器组成的ＢＣＵ，主要负责通过菊花链的通信方式控制各自的ＢＳＵ 完成数据采集的功能，并将相应数据上传；上层是ＢＭＵ，负责系统内部的整体协调以及与外部信息交互，根据外部请求控制整个ＢＭＳ系统的运行过程。

２　ＢＭＳ系统硬件设计
ＢＭＳ系统硬件主要分为ＢＳＵ、ＢＣＵ和ＢＭＵ。为了节省设计时间，将ＢＣＵ和ＢＭＵ的硬件结构统一，只需根据不同功能焊接相应器件即可。
２．１　ＢＳＵ硬件设计
ＢＳＵ 主要由ＭＣ３３７７１ 及其附属电路组成，其中ＭＣ３３７７１主要完成电池的电压、温度采集以及各种故障检测和均衡功能。其中，电压采样与均衡电路如图２所示，温度采样则通过计算热敏电阻阻值的方式实现。ＭＣ３３７７１采用菊花链完成信息的上传下达，通过控制内部相应ＭＯＳ管的通断实现最大通态电流为３００ｍＡ的被动均衡功能。采用菊花链通信无需额外的高速光耦以及配套的隔离电源，只需１个隔离变压器ＨＭ２０１２ＮＬ即可实现２片级联的ＭＣ３３７７１之间的信息传递，节省了成本。菊花链采用差分信号传输数据，为了能够实现ＭＣ３３７７１与控制器（单片机）的正常通信，需要采用ＭＣ３３６６４信号转换芯片将差分信号转换为ＳＰＩ信号。菊花链通信的结构示意图如图３所示。

２．２　ＢＣＵ与ＢＭＵ硬件设计
ＢＣＵ与ＢＭＵ采用相同的硬件结构，根据功能需求焊接不同器件，其硬件结构主要分为主控制器、电流测量电路、ＣＡＮ通信电路以及继电器驱动电路等。
２．２．１ 主控制器设计
主控制器采用ＳＴ公司生产的ＳＴＭ３２Ｆ４０５ＲＧＴ６。它是一种３２位的ＡＲＭ 架构处理器，主频高达１６８ ＭＨｚ，内部具有１Ｍ 的Ｆｌａｓｈ容量，外部采用６４引脚的封装，集成了３路ＳＰＩ总线、２路ＣＡＮ 总线，可以满足系统的需求。
２．２．２　ＣＡＮ总线通信电路
ＢＭＵ 和ＢＣＵ 之间通过ＣＡＮ 总线传输信息，采用ＴＪＡ１０４０Ｔ作为ＣＡＮ 总线收发芯片。鉴于系统中串联了大量单体电池，为防止地电位不同导致的共模干扰以及对ＣＡＮ收发芯片造成的损坏，在单片机ＣＡＮ 通信接口与ＣＡＮ总线收发芯片之间串入ＡＤＵＭ１２０１ＢＲＺ双向磁隔离器实现信号的隔离，并在ＣＡＮ 收发器输入端并联１２０Ω电阻抑制回波反射。ＣＡＮ总线通信电路如图４所示。

图４ＣＡＮ总线通信电路
２．２．３ 充放电控制电路
ＢＭＵ负责根据外部相应的请求和ＢＭＳ系统内部状态控制充放电过程，采用继电器作为充放电主回路的开关。以ＭＯＳＦＥＴ驱动电路控制继电器的吸合，完成相应的动作，具体的驱动电路如图５所示。其中，ＰＩＮ１和ＰＩＮ２是与继电器相应触点连接的端点；ＩＯ为单片机的控制引脚；串联反二极管的作用是吸收ＭＯＳ管关断时继电器线圈上的电流。

图５ 继电器驱动电路
２．２．４ 电流测量电路
本文基于分流器的方式测量回路电流，采用的分流器规格为５００Ａ／７５ｍＶ。由于直接使用单片机的ＡＤ引脚测量分流器的电压会导致巨大的测量误差，因此本文采用亚德诺半导体生产的ＡＤＵＣＭ３３１ 作为电流采样芯片。ＡＤＵＣＭ３３１是一款基于ＡＲＭ　Ｃｏｒｔｅｘ－Ｍ３架构的３２位处理器，采样电压范围为－２００～＋３００ｍＶ，电流采样精度为２０位，最大采样频率可达８ｋＨｚ，通过ＳＰＩ总线或ＵＡＲＴ方式实现与外部通信，并可通过ＳＷＤ引脚完成程序下载。为了保护ＡＤＵＣＭ３３１的电流采样引脚，接入必要的限流和限压电路，具体的电流采样保护电路结构如图６所示。

图６ 电流采样电路
３　ＢＭＳ系统软件设计
ＢＭＳ软件功能主要包括电压、电流、温度采样，均衡功能，充放电控制，故障预警和ＳＯＣ估算等。其中电池电压、温度、电流精确采样是实现其他功能的基础。
３．１ 初始化ＭＣ３３７７１
执行采样功能之前，首先要对ＭＣ３３７７１初始化。初始化流程如下。
（１）通信初始化。对ＳＴＭ３２Ｆ４０５的ＳＰＩ１和ＳＰＩ２分别初始化，因为通过ＭＣ３３６６４转换后的通信速率高达２Ｍｂ／ｓ，直接使用ＳＰＩ接收中断无法正常读取返回信息，所以采用ＤＭＡ的方式接收返回的数据。
（２）ＭＣ３３７７１初始化。ＳＰＩ初始化后，ＢＣＵ 对所有ＭＣ３３７７１发送复位指令，将每个ＭＣ３３７７１的ＩＮＩＴ 寄存器都设置为０ｘ００，使所有的ＭＣ３３７７１的ＩＤ号都为０。复位完成后按菊花链级联的顺序重新依次赋予不同的ＩＤ。
（３）初始化ＭＣ３３７７１中系统控制寄存器ＳＹＳ＿ＣＦＧ１和ＳＹＳ＿ＣＦＧ２以及需要配置成温度测量功能的ＧＰＩＯ端口。
（４）故障预警设置。ＭＣ３３７７１中自带有过压欠压、过温欠温、均衡开路和短路等相关预警功能，对于需要用到的预警功能，使能ＦＡＵＬＴ＿ＭＡＳＫｘ寄存器中相应数据位即可，对于不需要用到的预警功能则进行屏蔽。
（５）将设定的过压、欠压阈值写入ＴＨ ＿ＡＬＬ＿ＣＴ寄存器中，将过温、欠温阈值写入相应的ＴＨ ＿ＡＮｘ＿ＯＴ和ＴＨ＿ＡＮｘ＿ＵＴ寄存器里。
３．２ 电压温度采样
完成初始化流程后，即可对ＭＣ３３７７１下达信号采集命令，ＭＣ３３７７１主要采集各节电池的电压以及温度数据。首先将转换命令写入ＡＤＣ ＿ＣＦＧ 寄存器中使得相应ＭＣ３３７７１启动转换，等待转换完成后，读取对应的ＭＥＡＳ＿ＣＥＬＬ或ＭＥＡＳ＿ＡＮ 寄存器中的数值并通过公式计算出真实的电压和温度信息。具体的采样流程如图７所示。

图７ 电压、温读取流程
３．３ 电流采样
电流采样是通过Ａｄｕｃｍ３３１电流采样芯片完成的，需要对Ａｄｕｃｍ３３１的相关寄存器进行配置，具体流程如图８所示。

图８ 电流采样流程
４ 试验分析
采用２组１４串钛酸锂电池ＰＡＣＫ进行试验，检测电压、温度和电流的采样精度。其中，读取上位机的电压数据并与Ａｇｉｌｅｎｔ六位半万用表的测量数据进行比较，以万用表的测试数据作为真实值。某组ＰＡＣＫ的测试结果见表１，由此可知，电压测量误差在２ｍＶ之内，能够满足实际系统需求。
表１ 电压测量结果

向主回路串联５００Ａ／７５ｍＶ的分流器，使用电子负载构成放电回路。通过调节电子负载的放电电流测试电流采样精度，以电子负载上显示的电流值为基准进行比较。电流采样精度测试结果见表２ （其中绝对精度是指电流采样误差绝对值除以１０００Ａ的结果），由此可得，电流采样相对误差最大不超过２％，绝对误差在０．１％以下，满足电流精度要求。
表２ 电流采样精度测试

将热敏电阻浸入水中，同时放入温度计，通过不断向盆中加入热水来改变水温。观察上位机读取的相应温度值和温度计的示数来检验温度测量精度。测试结果见表３，由此可知，温度测量误差最大不超过３℃，符合实际要求。
表３ 温度采样精度测试

在上述采样基础上还对其他功能如故障检测和ＳＯＣ估算进行了测试，均能满足实际需要。
５ 结语
本文通过对储能应用中ＢＭＳ系统功能和结构的分析，完成了相应的软硬件设计并对设计的系统进行了实际测试，结论如下：基于３层结构的ＢＭＳ系统可以实现管理多节单体电池的功能，适用于大容量的储能系统；所设计的ＢＭＳ系统能够精确采集电池电压、电流、温度等数据，并在此基础上有效完成如故障检测与保护和电池组ＳＯＣ估算等功能，满足实际的应用要求。

作者：陆凡 刘东（西南交通大学电气工程学院）
来源：摘自《电工技术》
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