锂离子储能电池管理系统（BMS）关键技术
文章来源： | 发布时间：2013-12-27 | 【打印】 【关闭】
技术背景
锂离子电池作为动力来源，必须串联使用才能达到电压要求，而多个电池串联使用一段时间后，电池内阻和电压产生波动，单体电池的状态差异会逐渐显现出来，不断循环的充放电过程加剧了单体电池之间的不一致性。电池成组后，大功率充放电时，电池组发热，在电池模块内形成一定的温度梯度，使各单体电池工作时环境温度不一致，将削弱单体电池间的一致性，降低电池组充放电能力。例如，磷酸铁锂电池的单体电芯循环寿命可以达到3000次以上，然而成组后，由于各种原因导致的不一致性，整体循环寿命很难达到2000次。
此外，大规模储电系统中电池成本约占总成本的一半。串联成组的电池系统，只要其中一节失效，如不及时发现，整串电池都会跟着报废。损失的不仅仅是昂贵的电池，由于电池状态不确定性造成的系统瘫痪、数据丢失，后果不堪设想。
为确保电池性能良好，延长电池使用寿命，必须对电池进行合理有效地管理和控制。电池管理系统（Battery Manage System， BMS）对电池组的使用过程进行管理，对电池组中各单体电池的状态进行监控，可以维持电池组中单体电池的状态一致性，避免电池状态差异造成电池组性能的衰减和安全性问题。
技术原理
锂离子电池储能系统的BMS实行两级控制架构：针对电芯的电池管理单元（BMU）和针对电池模块的集中管理单元（CMU）。
图1 电池管理系统结构示意图
BMU负责电池模块内电芯级别的控制，包括电芯电压和温度信号监控、均衡控制、荷电状态（SOC）估算、电池健康状态（SOH）估算和热管理控制。电芯状态数据通过CAN总线传输到CMU。
CMU负责模块级别的控制，包括系统继电器的控制、告警信号输出、与外部设备的输入输出。CMU汇总串联电池组中所有电芯的状态信息，包括电压、电流、温度、SOC、SOH，经触摸屏显示，或通过RS485与PC计算机通讯，用于系统配置和故障诊断。CMU与BMU和外部设备之间均通过CAN总线通讯，提高系统的可靠性。
技术优势
1.采用分布式测量方式，通过滤波电路和软件算法，提高采样精度。
采用分布式测量的方式实现电压、温度等物理量的精确测量。每个BMU可以同时监控12个串联电芯的电压信号，同时监控电池包中4个温度点，包括电芯的极耳温度、电路板功率器件的温度和电池模块中的空气温度。CMU检测串联电池组的电流信号。通过滤波电路和软件算法等，提高采集精度，为后续工作提供精确数据。
图2 电池管理系统结构框图
2．采用全程动态均衡方式，提高均衡效率，缩短均衡时间，减少能量损耗。
以单体电池为均衡单元，采用主动均衡与被动均衡相结合的技术方案，在充放电过程中都能够实现均衡功能，最大主动均衡电流为3A，最大被动均衡电流为1A。此种均衡方案与常用的被动式均衡方案相比，热损耗小，能量转换效率高。多个电池可同时均衡，提高了均衡速度，缩短了均衡时间，并且能够保证每个单体电池在充电时能够充满，放电时能够放完。并且突破传统的均衡控制策略，实现以单体电池为单元的均衡控制，解决目前电池模块内部各串联单体电池之间均衡容易实现而电池模块之间均衡困难的问题。
图3 0.2C充电时电压变化趋势（未均衡） 图4 0.2C充电时电压变化趋势（均衡）
图5 多次0.5C充电均衡电压变化趋势对比
图6 多次0.5C放电均衡电压变化趋势对比
3. 采用实时校正的SOC估算方法，有效提高SOC估算精度。
采用综合考虑电池内阻、温度、循环寿命等因素对SOC估算结果的影响的方法，并结合实测的“电压—容量”以及“电流—容量”关系曲线，完善了多因素的SOC计算模型（enhanced OCV-Ah），显著提高估算精度。
图7对比测试条件(变工况) 图8 测试结果对比
表1 几种SOC估算模型测试数据对比表
下图为课题组开发的电池管理系统产品。
图15 集中控制板 图16 信号采集板
图17 主动均衡板 图18 被动均衡板
图19 均衡控制板（组合使用）
主要应用领域
电池管理系统应用广泛，可应用于新能源发电储能系统、微网发电系统、移动通讯基站储能系统、银行和高级写字楼后备电源等。
新能源发电系统
微网、分布式能源储能系统
办公楼宇储能系统
应急、救灾电源
家庭储能、移动基站、后备电源等
联系方式：中国科学院广州能源研究所储能技术实验室
宋文吉 13760621475，020-87059478
邮箱：songwj@ms.giec.ac.cn
