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)，供應(yīng)不間斷電能。

本文來源：直流建筑聯(lián)盟微信號(hào)DC_building

1、引言

直流配電系統(tǒng)儲(chǔ)能電池的能量管理系統(tǒng)（BatteryManageSystem,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）采用三元鋰離子電池作為儲(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)帶來了充電過壓等安全隱患；4）鋰離子電池組有效荷電容量隨電池充放電次數(shù)的新增、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)崮芄芾恚侠硇略鲭娦炯癙ACK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。

2.1BMS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)，供應(yīng)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)鋰離子電池電壓動(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)電池端電壓逐漸新增到48V。

2.2BMS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，用于采集鋰離子電池組電壓、溫度，電池充電均衡、實(shí)時(shí)監(jiān)控鋰離子電池的工作狀態(tài)并反饋給上位機(jī)。考慮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)過分流電阻，起到均衡的用途。均衡電流應(yīng)合理選擇，均衡電流過小則效果不明顯，均衡電流過大則系統(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50~100mA；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)。關(guān)于以上兩種通訊方式分別選取MAXIM485/488芯片，均采用半雙工的工作模式。電路中采用NECR2561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出現(xiàn)，降低芯片損壞率，從而提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性。