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储能应用中的BMS系统设计.pdf

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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ＭＣ ３３７７１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ＭＣ３３ ７７１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。 图１ＢＭＳ系统结构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。 ２．１ＢＳＵ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３００ ｍＡ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。 图２电压采样与均衡电路 图３菊花链通信结构示意图 ２．２ＢＣＵ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ＳＴＭ３２Ｆ４０５ＲＧ Ｔ６。它是一种３２位的ＡＲＭ架构处理器，主频高达１６８ＭＨｚ，内部具有１ Ｍ的Ｆｌａｓｈ容量，外部采用６４引脚的封装，集成了３路ＳＰＩ总线、２路ＣＡ Ｎ总线，可以满足系统的需求。 ２．２．２ＣＡＮ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