储能用锂离子电池管理系统研究.pdf

1、储能用锂离子电池管理系统研究许守平，侯朝勇，胡娟，汪奂伶，杨水丽（中国电力科学研究院，北京100192）Study on Li-Ion Battery Management System of Energy StorageXU Shouping，HOU Chaoyong，HU Juan，WANG Huanling，YANG Shuili（China Electric Power Research Institute，Beijing 100192，China）ABSTRACT：Li-ion batteries are widely utilized in the highvoltage and

2、large capacity energy storage because of its goodperformance.Therefore，the battery management system of Li-ion batteries plays a key role in prolonging battery s cycle lifeand guaranteeing the safety operation of the system.Based oncharacteristics of the Li-ion battery of the energy storage，thispape

3、r discusses the structure of the battery management system，introduces the main function of the system，especially the dataacquisition of cell，estimation of state-of-charge and balancingcontrol in the battery management system.Advantages anddisadvantages of the methods of SOC estimation and balancingm

4、anagement are given and the implementation strategies of themethods are evaluated.KEY WORDS：energy storage；Li-ion battery managementsystem；data acquisition of cell；estimate of state-of-charge；balancing management摘要：锂离子电池因其性能优异在高电压大容量的储能系统得到了广泛的应用。锂离子电池管理系统是延长电池循环寿命，维护电池安全运行的关键。针对储能用锂离子电池的特性，该文讨论了储能用

5、锂离子电池管理系统的结构，重点介绍了电池管理系统的主要功能，特别是单体电池数据采集功能、电池状态估计功能和均衡管理功能，并分析了状态估计和均衡管理方法的优缺点，对其实现策略进行了评价。关键词：储能系统；锂离子电池管理系统；单体电池数据采集；电池状态估计；均衡管理随着分布式能源和新能源发展规模的不断扩大，通过智能电网实现电力的智能存储和传输，也将是能源体系的优化趋势。储能系统对电池性能的要求是大容量、长寿命、快速响应、可涓流充电，而锂离子电池由于具有较高的能量密度比和功率密度比，良好的充放电效率和灵活的成组方式可满足目前大规模储能的要求，已经成为大容量储能研究的重点1。国内外已经开始了大容量锂离

6、子电池储能系统的研制和示范工程2。由于锂离子电池具有明显的非线性、不一致性和时变特性，使其在长期充放电过程中由于各单体电池间充电接受能力、自放电率和容量衰减速率等的影响，容易造成成组电池之间的离散性加大，性能衰减加剧，严重的情况甚至会发生威胁安全的严重后果3。如果不对锂离子电池进行有效的管理，电池组的性能将会迅速衰减，最终导致大规模电池组寿命没有保证。因此，根据锂离子电池特性，需要对锂离子电池进行有效管理，以保证电池的安全和可控运行，这对于维护电池安全、保持电池性能、延长电池寿命都具有重要的意义。目前国内外电池管理系统主要集中在电动汽车的动力电池上，对于储能用锂离子电池管理系统的研究还比较少，

7、而且大都集中在某一个特性上，对于整个储能系统的电池管理研究几乎还都处在探索阶段。本研究是基于储能示范工程而开展的，对于整个行业具有很大的参考意义。该文主要介绍了储能用锂离子电池管理系统的结构特点，同时详述了管理系统中每个结构的主要功能，然后论述了电池管理系统的主要功能，重点介绍了电池管理系统的数据检测、电池状态估计基金项目：国家科技支撑计划项目（2011BAA07B07）；国家电网科技项目（DG71-14-001）；中国电力科学研究院创新基金项目（DG83-14-001）。Project Supported by the State Science and Technology Support

8、Project（2011BAA07B07）；Science and Technology Project of SGCC（DG71-14-001）；the Innovation Foundation Project of China ElectricPower Research Institute（DG83-14-001）.第 3 0 卷 第 5 期2 0 1 4 年 5 月电网与清洁能源Power System and Clean EnergyVol.30No.5May 2014文章编号：1 6 7 4-3 8 1 4（2 0 1 4）0 5-0 0 7 0-0 9中图分类号：T M 7 1

9、 5文献标志码：A清洁能源Clean Energy第 3 0 卷第 5 期电网与清洁能源图1储能系统的基本拓扑结构图Fig.1The basic topological graph of the energy storage和电池均衡功能，并对电池估计状态功能进行了仿真计算，最后对储能用锂离子电池管理系统的研究方法进行了总结，并对电池管理系统的下一步研究方向提出了合理的建议。1储能用锂离子电池管理系统结构不同于锂离子电池的其他应用场合，储能用锂离子电池所需数量巨大，通常是成千上万节单体电池，通过串并联的形式组成电池系统来满足多种功能，因此，对于储能用锂离子电池管理系统有别于其他场合。储能系统的

10、基本拓扑结构如图1所示。储能用锂离子电池的应用场合不如电动汽车恶劣，其工况也不是特别复杂，大都处于浅充浅放状态，但出于体积、安全和有利于维护的考虑，电池组一般也是分成几个串并联的模块进行安装。将单体电池经过串并联组成一个电池箱，每个电池箱配有一个电池监控单元（Cell supervision circuit，CSC），几个CSC组成一个子电池系统管理单元（Slave batterymanagement unit，SBMU），根据储能容量的需要，再由适当数量的SBMU组成一个主电池系统管理单元（Master battery management unit，MBMU），并配备就地监控系统、高压检测

11、和绝缘监测模块等其他所需的模块，这些模块共同构成电池管理系统（Batterymanagement system，BMS）。BMS的结构框图如图2所示。其中CSC对电池箱的电压和温度进行检测，经过处理后将其传输给SBMU，同时对电池箱内的电池进行均衡管理；CSC还要根据电池箱内的温度，当电池温度超过最优工作温度区间或电池温差大时，开启风机，对本箱电池进行热管理，直到电池工作温度和温差恢复到设计范围。SBMU 接收CSC传来的数据信息，并检测这些电池箱组成了的电池子系统的总电流、总电压和绝缘度，根据采集的电池数据估计电池组的荷电状态（State of charge，SOC）、健康状况（State

12、of health，SOH）等，对电池组充放电的进行保护；同时判断电池组的故障状态，并实时上报给就地监控系统，完成与就地监控系统的通信。图3和图4分别是CSC和SBMU的结构框图。根据储能需要，若干个SBMU组成一个MBMU来对整个储能电池系统的电池进行管理，其中电压和绝缘检测模块是对整个电池系统的总电压、绝缘状态进行检测，MBMU是对整个电池系统的电池状态进行汇总和处理，得到本系统的SOC、故障类型及等级、最大允许充放电电流等状态，并直接面向双向变流器和监控调度系统，进行通讯、管理和控制。为清洁能源Clean Energy71了提高系统可靠性和及时性，MBMU和双向变流器之间除了CAN总线以

13、外，还可增加了保护干接点，在CAN总线保护失效的基础上，可通过输出干接点信号至双向变流器，致使变流器停机，实现变流器与电池之间的物理断开。考虑到MBMU传送到变流器的数据主要用于控制，实时性强，因此传输的数据仅限于控制数据，包括系统最高单体电池电压、系统最低单体电池电图4SBMU的结构框图Fig.4The structure block diagram of SBMU图2BMS的结构框图Fig.2The structure block diagram of BMS图3CSC的结构框图Fig.3The structure block diagram of CSC许守平，等：储能用锂离子电池管理系

14、统研究Vol.30No.5清洁能源Clean Energy72第 3 0 卷第 5 期电网与清洁能源压、系统最高温度、系统SOC、系统最大允许充电电流、系统最大允许放电电流、系统故障代码等；而为了实现电池运行过程状态的全方位监控和记录，MBMU传送到监控调度系统的数据更为详尽，包括所有单体电池电压、温度、各箱电池工作电流、各箱电池SOC、各箱电池最高单体电池电压及位置、各箱电池最低单体电池电压及位置、各箱电池最高温度及位置、各箱电池最低温度及位置、各箱电池故障代码、各箱电池最大允许充放电电流、各箱电池工作模式(在线模式或者离线模式)等详细数据。BMS 的通讯主要分为内部通讯和外部通讯。外部通讯

15、指BMS与上层监控调度系统的通讯，现在通常是通过104 TCP/IP 协议来完成。内部通讯指BMS中各个模块之间的通讯，一般选用可靠性高抗干扰能力强的CAN总线形式。由于储能系统中所用的锂离子电池的外部特性（如电压、电流）在系统运行过程中根据需求会发生很大的变化，这对BMS提出了极强的实时性要求，同时也要求BMS具有多任务运行的能力，因此也就对BMS的软件设计提出了实时性和多任务调度的要求。依据储能系统的需求，BMS的软件设计可划分成如下几个任务：启动任务，总电压采集任务，总电流采集任务，温度采集任务，绝缘检测任务，SOC 估计任务，变流器数据接收任务，变流器充放电控制任务，监控调度系统数据接

16、收和发送任务，数据分析任务，通讯任务，多级报警任务和空闲任务等。2电池管理系统的主要功能储能用锂离子电池管理系统包含有多个功能模块，一般为数据检测功能、统计存储功能、运行参数设定功能、充放电管理功能、通信功能、报警功能、电池系统保护、电池系统容量标定及SOC估计功能、热管理功能、电池均衡管理功能、高压管理功能、绝缘检测功能等5-6。其中，单体电池数据检测、电池状态估计功能和均衡管理功能是目前电池管理系统研究的热点，本文主要就这3方面的实现策略进行讨论。2.1单体电池数据检测功能由于储能用电池系统通常是由上千（万）个单体电池串并联组成，所以，每一个单体电池的工作状态正常与否，不仅反映电池组性能的好坏，而且影响电池组的容量及剩余能量，进而影响整个储能系统的效率。在储能系统运行过程中，如不及时对单体电池进行检测，找出老化电池给予调整，电池组的容量将变小，寿命将缩短，必将影响整个电池储能系统的高效安全运行。单体电池工作数据的检测主要是电压和温度两个方面，由BMS中的CSC完成，BMS的其他功能（包括SOC估计、剩余能量的计算等）都是建立对单体电池工作状态进行精确检测的基础之上的。在这两个参数中