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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,提供不间断电能。

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(BatteryManage System, 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)锂电池组有效荷电容量随电池充放电次数的增加、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,合理增加电芯及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。

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。

2.1 BMS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,提供不间断电能。

直流配电系统储能电池的BMS设计

图1 直流配电系统储能装备电路原理直流配电系统储能电池的BMS设计

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增加到48V。

2.2 BMS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,用于采集锂电池组电压、温度,电池充电均衡、实时监控锂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。

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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。

直流配电系统储能电池的BMS设计

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,起到均衡的作用。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:

直流配电系统储能电池的BMS设计

因此有:

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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。对于以上两种通讯方式分别选取MAXIM 485/488芯片,均采用半双工的工作模式。电路中采用NEC R2561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产生,降低芯片损坏率,从而提高系统的稳定性。

3、BMS软件设计

3.1 软件流程

图4所示为BMS软件流程图,BMS软件的设计目的是完整的储能装备控制系统,实现电池电压、电流、温度采集,电池荷电状态的估算,单体电压均衡,过充过放保护,与上位机通信功能。BMS的软件设计思想采用模块化和层次化的设计思路。模块化是将要实现的同一功能综合到一个代码段内部进行统一管理,便于修改。多个软件功能使用用单独函数实现,程序得以分割;另外单独函数在一定程度上可以被复用。层次化是在软件运行中将一个工作分成多个环节,分别由不同的硬件和软件模块完成,以便于程序内部各个函数之间进行通讯,调用和维护。BMS系统在运行主程序时,不断地调用各个独立的子函数,来协同完成对数据的采集和处理。

BMS软件首先进行系统初始化:任务是完成硬件上电检查,各个功能模块的初始化以及应用程序的初始化。初始化模块包含软件定时器、外围通信协议SPI初始化、存储器、A/D模块、串口通信SCI、总线时钟、指示灯设置等初始化模块;应用程序初始化包含对各个变量初始值的设定、相关变量和数组的申明、通讯协议以及电压、电流及温度保护上限和下限预设值的定义等。其中保护上下限值、电池总安时数等预设值还可以通过BMS串口通信进行在线设定,以增加系统的弹性稳定性。第二获取各初始值并进行初始值状态判定,并写入通讯芯片的寄存器中。然后软件进入采集循环,通过调用子程序进入中断,查询、操作与中断返回的方式获取电池多个关键信息,执行多项电池操作。在中断执行完后返回主函数循环。软件通过不断跳出与返回循环,完成系统各项任务。

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图4 软件流程图

3.2 中断响应

串口通讯是通过响应串口中断来实现的,程序中除了串口还设置有定时中断和电流检测中断等。对于本系统主芯片MC9S08DZ60的中断优先级如表1所示。

表1 中断优先级20181123_081116_006.jpg

主程序中采用的是定时中断的处理方法,每个中断响应时,完成不同的任务。中断响应以后,程序主要采集电压、温度、电流值;锂电池状态判定;控制FET对电池的充放电开关控制,锂电池单体电压的均衡控制,电池剩余容量SOC的估算等。系统和上位机的通信采用的是串口中断通信,上位机以MODBUS协议为基础改编,在芯片接收代码并校验以后,读取寄存器中的各项数据值,返回至上位机,供监测人员实时观测状态。通讯协议中支持读取芯片寄存器中的内容,同样也支持修改寄存器中初始化设定的各项预设值,便于根据不同的使用状态来修改上下限值。

3.3 电池控制

储能装备挂载在直流母线上,需要进行全面控制,避免电池组出现失控情况。表2所示为电池组控制表,对电池组截止电压、截止电流、高低温以及电池单体均衡进行控制,当控制变量超过限定值时进行控制,待控制变量恢复到限定值内时解除控制。

表2 电池组控制表

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其中电压控制、充电电流控制由电池单体性能决定;放电过电流控制是为避免母线短路情况下的电池过放采取的控制手段;高低温控制是根据储能装备的实际使用环境确定的-10℃~50℃的保护值;电池均衡是解决电池单体电压失衡的有效手段。

4、测试及实际应用

4.1 储能装备测试

将BMS电路板放入老化试验箱48h进行设备老化测试后,与电池组、箱体等进行组装,PACK完成后的储能装备如图所示。测试分为环境试验和功能测试两部分。

根据储能装备实际使用环境,结合技术要求进行模拟环境测试。测试条件为:

表3 储能装备测试条件

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表4所示为储能装备的环境测试结果。由表4可知:储能装备在低压低温、低压高温、常压低温、常压高温的4类低频随机振动环境下,充放电状态符合软件逻辑,通信状态均正常,装备状态均可正常使用。

表4 储能装备环境测试结果

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注:A低温B高温M低压L常压Fc振动

文章作者:廖闻迪,深圳市建筑科学研究院有限公司,博士,研究方向:交直流不间断供电装备技术研究与装备设计。

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