由于鋰電池單體電壓較低，在實(shí)際儲能應(yīng)用中需要大量單體電池的串并聯(lián)構(gòu)成鋰電池組。然而，鋰電池由于本身的固有特性，其在長期充放電過程中易受各單體電池間充電接受能力、自放電率和容量衰減等影響，各個(gè)單體電池上存在一定的電壓差，長期使用，不僅降低了電池的效率，進(jìn)一步產(chǎn)生安全隱患。另外，過沖、過放以及溫度變化對電池性能影響很大，長時(shí)間的過沖、過放嚴(yán)重降低電池壽命。因此，研制高性能的鋰電池組管理系統(tǒng)對于提高電池使用壽命、提升儲能效率是十分必要的。

目前，國外的電池管理系統(tǒng)研究大多集中在電動汽車上，技術(shù)也比較成熟，并且已經(jīng)進(jìn)入實(shí)際應(yīng)用階段，但是對大容量儲能電池管理系統(tǒng)的研究較少。國內(nèi)電池管理技術(shù)還不成熟，對整個(gè)儲能電池管理還都處于探索階段。儲能電池管理系統(tǒng)研究的要點(diǎn)是如何掌握電池組中的每個(gè)電池狀態(tài)，并根據(jù)這些狀態(tài)進(jìn)行合理的管理。為了更加適合儲能條件的需要，本文針對儲能鋰電池組，介紹了一種分層式電池管理系統(tǒng)，詳述了每層的主要功能以及層與層之間的關(guān)系，著重介紹了電池管理系統(tǒng)的單體電池電壓、單體電池溫度的高精度數(shù)據(jù)采集和準(zhǔn)確的電池狀態(tài)估計(jì)方法。

1鋰電池管理系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

儲能系統(tǒng)一般所需容量大、電壓高，需要成千上萬的單體電池通過串、并聯(lián)組合成電池系統(tǒng)來滿足多種功能。出于體積、安全和有利于維護(hù)等方面考慮，單體電池通過串、并聯(lián)組成電池箱，電池箱通過串聯(lián)組合成電池堆。每個(gè)電池箱配備一個(gè)單體電池管理控制器(LECU)，所有LECU通過CAN通信組合成一個(gè)電池管理單元(BMU)，并配備上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)、高壓檢測和絕緣檢測等其他模塊，這些模塊共同構(gòu)成電池管理系統(tǒng)(BMS)。本文介紹的電池管理系統(tǒng)采用3層式分層進(jìn)行管理，如圖1所示。

底層由多個(gè)LECU單元組成，主要完成串聯(lián)電池模塊電壓采集、多點(diǎn)溫度的測量、電壓均衡控制功能，如圖2所示。同時(shí)，LECU還要根據(jù)箱體電池溫度進(jìn)行熱管理，當(dāng)電池溫度超過最優(yōu)工作溫度區(qū)間，開啟風(fēng)機(jī)，對溫度過高的電池降溫，直到溫度降低到電池工作范圍，控制風(fēng)機(jī)停止。LECU通過CAN總線和中間層交互信息，LECU是電池管理系統(tǒng)中最基本的單元，它的檢測精度、通信的可靠性是電池管理系統(tǒng)的前提。

中間層為電池管理單元(BMU)，負(fù)責(zé)管理底層中所有的LECU，同時(shí)負(fù)責(zé)采集系統(tǒng)總電壓、總電流，估算電池荷電狀態(tài)(SOC)，實(shí)現(xiàn)高壓管理、絕緣監(jiān)測;BMU還對電流充放電進(jìn)行保護(hù)，判斷系統(tǒng)故障狀態(tài)，實(shí)時(shí)上報(bào)給上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)，在LECU協(xié)同作用下完成電池串的均衡控制，采用CAN通信完成底層和頂層的數(shù)據(jù)交互，如圖3所示。

頂層為上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)，負(fù)責(zé)顯示電池充放電狀態(tài)、系統(tǒng)總電壓電流、單體電池最高最低電壓、溫度最高最低模塊、故障、系統(tǒng)接觸器狀態(tài)等，同時(shí)面向PCS和監(jiān)控系統(tǒng)調(diào)度，進(jìn)行通信、管理和控制。

2鋰電池管理系統(tǒng)的主要功能及驗(yàn)證

儲能用鋰離子電池管理系統(tǒng)包含多個(gè)功能模塊，一般有數(shù)據(jù)采集功能、運(yùn)行模式選擇功能、通信功能、報(bào)警功能、電池系統(tǒng)保護(hù)、電池系統(tǒng)容量標(biāo)定、SOC估計(jì)功能、熱管理功能、電池均衡管理功能、絕緣檢測功能等。其中，單體電池?cái)?shù)據(jù)檢測、電池狀態(tài)估計(jì)、溫度檢測是目前電池管理系統(tǒng)研究的熱點(diǎn)，本文主要討論這3個(gè)功能的實(shí)現(xiàn)策略。

2.1單體電池電壓檢測

2.1.1單體電池電壓檢測原理

電池單體電壓采集選用Linear公司的電池檢測芯片LTC6804－2，該芯片可測量12路單體電池，可堆疊式架構(gòu)實(shí)現(xiàn)高電壓電池組的監(jiān)測，13ms測完所有單元。為了在電氣噪聲、開關(guān)、繼電器等導(dǎo)致瞬態(tài)存在的情況下保持最高準(zhǔn)確度的測量，LTC6804采用了內(nèi)置三階噪聲濾波的增量累加ADC。采用這種監(jiān)測芯片，單體電壓采集精度可以達(dá)到2mV，通過SPI接口將數(shù)據(jù)傳輸?shù)娇刂破餍酒珻8051F040，控制器芯片通過CAN通信將單體電壓傳送到中間層進(jìn)行處理，中間層通過CAN通信可以獲取底層多個(gè)LECU的單體電壓測量數(shù)據(jù)，從而完成所有的單體電壓測量。

2.1.2電壓精度檢測結(jié)果

本文選用AgikentE3634A穩(wěn)壓源輸出電壓，通過電池檢測芯片LTC6804－2測量的數(shù)據(jù)與FLUKE萬用表287C的測量結(jié)果進(jìn)行對比分析。電池檢測芯片LTC6804－2的12個(gè)通道采集數(shù)據(jù)和萬用表287C測量數(shù)據(jù)如表1所示。分析得出最大誤差1.4mV，小于LTC6804－2數(shù)據(jù)手冊中的2mV最大測量誤差，滿足鋰電池單體電壓測量精度的要求。

2.2單體電池溫度檢測

2.2.1單體溫度檢測方法

溫度傳感器采用NTC熱敏電阻103F3435ＲT型號，采用電阻分壓式方法如圖4所示，電壓通過控制芯片C8051F040內(nèi)部AD進(jìn)行采集。由于NTC熱敏電阻值與溫度呈非線性對應(yīng)關(guān)系，該特性增加了實(shí)際應(yīng)用中測溫的難度。傳統(tǒng)的表達(dá)電阻值與溫度之間關(guān)系的公式為指數(shù)方程，具體公式如下:

式中:ＲT是溫度為T(K)時(shí)的電阻值，ＲT0是溫度為T0時(shí)的電阻值，B是熱敏電阻常數(shù)。

由于該指數(shù)方程在較寬的溫度范圍下，引入的非線性誤差較大，在未經(jīng)修正的情況下基本不能直接使用。本文采用一種較為簡單的用于NTC型熱敏電阻的溫度與電阻值轉(zhuǎn)換方法，該方法可以直接在工程中使用，其在較大的溫度范圍內(nèi)與實(shí)測數(shù)據(jù)誤差較小，同時(shí)計(jì)算量較小。該方法經(jīng)驗(yàn)公式為:

式中:Ｒ是溫度為T時(shí)的電阻值，T為溫度(K)。

本方法中的經(jīng)驗(yàn)公式是從傳統(tǒng)的指數(shù)方程上發(fā)展而來，與公式(1)的主要區(qū)別是T作為分母多加了一個(gè)常數(shù)項(xiàng)c，且常數(shù)a和b不受制于溫度與熱敏電阻常數(shù)的關(guān)系，在特定的參數(shù)設(shè)置下本方程可以等同于指數(shù)方程。參數(shù)a、b、c由經(jīng)驗(yàn)公式與廠家提供的數(shù)據(jù)表利用軟件擬合得到，沒有具體的物理意義。

2.2.2溫度檢測采用比較結(jié)果

NTC熱敏電阻103F3435ＲT型號，根據(jù)廠家提供的阻溫特性，利用Origin軟件中非線性擬合功能，自定義輸入方程式

式中:x等于溫度T，y等于電阻Ｒ，a、b、c設(shè)置為可變量。a、b、c的初始值可以根據(jù)廠家提供的25°時(shí)的參數(shù)進(jìn)行設(shè)定，例如，可設(shè)置a=–B25/T25、b=B25、c=0，此時(shí)則根據(jù)表1，a=－3435/298.15=－11.521、b=3435、c=0。當(dāng)初值如前所述設(shè)置時(shí)，本方程表達(dá)式為:

與按照參數(shù)T0=T25=25℃，Ｒ0=Ｒ25=10kΩ，B=B25帶入的指數(shù)方程相同見公式(1)，由此也可以看出指數(shù)方程(1)只是公式(2)的一種特殊情況。按照上述參數(shù)設(shè)定，畫出指數(shù)方程曲線與廠家實(shí)測曲線對比如圖5所示。

由圖5可以看出，直接使用指數(shù)方程，并代入廠商所提供參數(shù)進(jìn)行計(jì)算后，方程求得的曲線與廠家實(shí)測曲線相差較大，特別是在低溫范圍內(nèi)，方程所得值與實(shí)際值誤差很大，基本不能直接進(jìn)行工程應(yīng)用。設(shè)置a、b、c初值時(shí)使用指數(shù)函數(shù)的初值，主要是為了避免Origin在擬合的時(shí)候由于初值偏差太大而產(chǎn)生軟件錯誤不能擬合。在Origin軟件非線性擬合工具中輸入好公式與參數(shù)初值之后，點(diǎn)擊擬合按鍵直到ＲeducedChi－sqr(殘差平方和)不再變化為止，得到a=－13.36422、b=4741.1285、c=56.6196。因此103F3435ＲT熱敏電阻的溫度與電阻表達(dá)式如下:

式中Ｒ指溫度為T時(shí)的電阻值。

根據(jù)表1中數(shù)據(jù)得出公式(3)的關(guān)系圖6，圖中可以看出經(jīng)驗(yàn)方程計(jì)算曲線與廠家實(shí)測曲線基本重合，精度較高可以直接工程應(yīng)用，首先測得熱敏電阻電阻值然后代入公式(3)就可以計(jì)算出溫度。在相同的電阻值下用實(shí)測的溫度減去計(jì)算的溫度得到誤差，圖7畫出了經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算出的溫度與實(shí)測值的誤差，同時(shí)作出指數(shù)公式計(jì)算數(shù)據(jù)誤差作為對比。

由圖7同樣可以看出經(jīng)驗(yàn)公式誤差非常小，在很大的溫度范圍內(nèi)誤差都接近0，而傳統(tǒng)的指數(shù)方程則誤差較大。

2.3SOC估計(jì)功能

鋰離子電池組的SOC是剩余電池量的估計(jì)，是儲能鋰電池非常重要的一個(gè)參數(shù)。嚴(yán)格監(jiān)控鋰電池的SOC是一項(xiàng)非常重要的任務(wù)，因?yàn)殡姵氐倪^沖、過放都會導(dǎo)致電池壽命的下降，長時(shí)間過沖，甚至?xí)斐呻姵氐娜紵捅ǎ斐蓢?yán)重的后果。目前電池SOC估算方法包括開路電壓法、安時(shí)積分法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法和卡爾曼濾波法等，每種方法都有各自的使用范圍［9－10］，具體的特性比較見表2。目前國內(nèi)實(shí)際應(yīng)用的實(shí)時(shí)在線估計(jì)SOC的方法仍然采用以電流積分為主，加上不同的修正方式。

假設(shè)電池的充放電起始狀態(tài)為，那么電池當(dāng)前狀態(tài)的SOC一般表示為:

式中:CN為額定容量;η為充放電效率;i(t)為電池電流，其中當(dāng)電池處于放電狀態(tài)時(shí)i(t)＞0，電池處于充電狀態(tài)時(shí)i(t)＜0。

由于SOC估計(jì)受溫度、充放電電流大小、傳感器采集精度等影響，很難保證電池安全有效的運(yùn)行。為了找到一種統(tǒng)一的方法確定電池SOC的當(dāng)前狀態(tài)，提前為儲能逆變器提供警告，為儲能逆變器提供足夠的緩沖時(shí)間，從而保證電池不過充過放，延長電池壽命。本文采用最常用安時(shí)積分法，依靠高精度的電壓、電流采集和大量的歷史數(shù)據(jù)存儲功能，對某電池進(jìn)行不同倍率充電實(shí)驗(yàn)，得到V－SOC關(guān)系圖，基于V－SOC曲線，對相鄰采樣點(diǎn)的電壓值進(jìn)行差值計(jì)算，得到各倍率相應(yīng)的ΔV－SOC曲線，對ΔV－SOC曲線進(jìn)行平移和縱坐標(biāo)變化，并移至重合得到如圖8所示圖形。由圖8可以看出，各倍率充電曲線在平臺兩側(cè)拐點(diǎn)相對集中。為了尋找統(tǒng)一的特征點(diǎn)以有效修正不同倍率充電的電池SOC，平臺拐點(diǎn)的選取應(yīng)滿足各倍率曲線重合度較高且盡量接近平臺端點(diǎn)。

通過以上方法找到如圖8中的A點(diǎn)和B點(diǎn)作為充電的最低點(diǎn)和最高點(diǎn)，通過判斷ΔV和SOC的關(guān)系可以有效的防止電池過沖。當(dāng)充電到達(dá)電池B點(diǎn)時(shí)，提醒儲能逆變器此時(shí)電池處于預(yù)充滿狀態(tài)，從而減小充電電流，保證電池不過充，當(dāng)電池充滿以后對SOC進(jìn)行重新標(biāo)定，重置由于積分過程中產(chǎn)生的累計(jì)誤差，這樣每次循環(huán)周期都將消除上一個(gè)循環(huán)周期的累計(jì)誤差。同樣方法通過放電實(shí)驗(yàn)可以得到相似的ΔV－SOC關(guān)系圖，得到放電A點(diǎn)作為放電SOC的最低點(diǎn)，提醒儲能逆變器此時(shí)電池處于預(yù)放完?duì)顟B(tài)，從而減小放電電流，保證電池不過放。通過A點(diǎn)和B點(diǎn)作為電池SOC的參考點(diǎn)，可以防止電池的過沖、過放，有效地提高電池的循環(huán)壽命。

3結(jié)語

本文提出了一套適用于儲能大容量電池堆的電池管理系統(tǒng)，該電池管理系統(tǒng)采用3層式分層管理體系。文中詳細(xì)介紹了每層的作用及相互間的關(guān)系，同時(shí)采用LTC6804－2芯片簡化了電池電壓測量，提高電壓測量精度;采用NTC溫度傳感器的經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算方法，有效的提高了溫度測量精度;通過對鋰電池進(jìn)行測量得到ΔV－SOC曲線，找到不依賴于充放電倍率的統(tǒng)一判定條件，從而防止系統(tǒng)的過沖、過放，有效地提高電池壽命。