許守平，侯朝勇，胡娟，汪奐伶

(中國(guó)電力科學(xué)研究院，北京市 100192)

大規(guī)模儲(chǔ)能用鋰離子電池管理系統(tǒng)

許守平，侯朝勇，胡娟，汪奐伶

(中國(guó)電力科學(xué)研究院，北京市 100192)

鋰離子電池因其性能優(yōu)異在高電壓大容量的儲(chǔ)能系統(tǒng)得到了廣泛的應(yīng)用，但鋰離子電池單體容量過大，充放電過程中易產(chǎn)生高溫，誘發(fā)不安全因素，必須采用鋰離子電池管理系統(tǒng)來維護(hù)電池安全運(yùn)行，并延長(zhǎng)電池循環(huán)壽命。根據(jù)鋰離子電池在儲(chǔ)能系統(tǒng)中的特性，提出了一種新型的分層管理的儲(chǔ)能用鋰離子電池管理系統(tǒng)，詳細(xì)論述了每層的結(jié)構(gòu)和功能，并著重介紹了整個(gè)鋰離子電池管理系統(tǒng)的主要功能，特別是單體電池?cái)?shù)據(jù)采集功能、電池狀態(tài)估計(jì)功能和均衡管理功能，并對(duì)各自的實(shí)驗(yàn)策略進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了該種管理系統(tǒng)能滿足現(xiàn)實(shí)儲(chǔ)能系統(tǒng)的需要，實(shí)現(xiàn)了鋰離子電池的高精度狀態(tài)估計(jì)和高效均衡功能。

儲(chǔ)能系統(tǒng)；電池管理系統(tǒng)；數(shù)據(jù)采集；狀態(tài)估計(jì)；均衡管理

0 引 言

隨著風(fēng)電和光伏發(fā)電等新能源發(fā)展規(guī)模的不斷擴(kuò)大，通過對(duì)電力進(jìn)行存儲(chǔ)和傳輸來實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)的智能化，將是能源體系的優(yōu)化趨勢(shì)。目前，電力存儲(chǔ)的主要介質(zhì)是電化學(xué)電池，儲(chǔ)能系統(tǒng)對(duì)電池性能的要求是大容量、長(zhǎng)壽命、快速響應(yīng)和可涓流充電，而鋰離子電池由于具有較高的能量密度比和功率密度比、良好的充放電效率和靈活的成組方式，可滿足目前電力系統(tǒng)中的大規(guī)模儲(chǔ)能要求，已成為大容量?jī)?chǔ)能研究的重點(diǎn)。近年來，國(guó)內(nèi)外已建設(shè)了許多大容量鋰離子電池儲(chǔ)能系統(tǒng)示范工程和電站[1]。

然而，鋰離子電池由于本身的固有特性，具有明顯的非線性、不一致性和時(shí)變特性，其在長(zhǎng)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速率等的影響，造成電池之間的離散性加大，性能衰減加劇，進(jìn)而有可能會(huì)產(chǎn)生威脅安全的嚴(yán)重后果[2]。因此，必須設(shè)計(jì)電池管理系統(tǒng)來對(duì)鋰離子電池進(jìn)行有效管理，以保證電池的安全和可控運(yùn)行。

目前，國(guó)外的電池管理系統(tǒng)已經(jīng)進(jìn)入實(shí)際應(yīng)用階段，技術(shù)也比較成熟，文獻(xiàn)[2-3]對(duì)此進(jìn)行了詳細(xì)的闡述，但大都集中在電動(dòng)汽車的動(dòng)力電池應(yīng)用上。國(guó)內(nèi)的電池管理技術(shù)還正處于起步階段，研究還不夠成熟，性能不夠理想，主要表現(xiàn)為功能簡(jiǎn)單、穩(wěn)定性差、控制靈敏度不高，漏報(bào)警和誤報(bào)警現(xiàn)象時(shí)有發(fā)生[4-5]。但由于先期的市場(chǎng)需求已經(jīng)打開，國(guó)內(nèi)對(duì)電池管理系統(tǒng)研究也越來越重視，也誕生了一些電池監(jiān)控和管理的研究成果，如文獻(xiàn)[6-8]主要是在跟蹤國(guó)外電池管理算法，而且大都集中在某一個(gè)特性上，對(duì)于整個(gè)儲(chǔ)能系統(tǒng)的電池管理研究幾乎還都處在探索階段。

為了更加適合儲(chǔ)能系統(tǒng)本身使用環(huán)境的需要，本文提出了一種進(jìn)行分層管理的鋰離子電池管理系統(tǒng)，該系統(tǒng)主要分為3層結(jié)構(gòu)，每層都有自身的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和獨(dú)有功能，通過相互配合來完成對(duì)整個(gè)儲(chǔ)能系統(tǒng)中的鋰離子電池的管理和控制，并實(shí)現(xiàn)單體電池的高精度采集、高精度的電池狀態(tài)估計(jì)和高效均衡功能。

1 儲(chǔ)能用鋰離子電池管理系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

儲(chǔ)能用鋰離子電池所需電池?cái)?shù)量巨大，通常由成千上萬(wàn)節(jié)單體電池通過串、并聯(lián)形式組成電池系統(tǒng)來滿足多種功能，儲(chǔ)能系統(tǒng)的基本拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示。

儲(chǔ)能用鋰離子電池的應(yīng)用場(chǎng)合不如電動(dòng)汽車惡劣，根據(jù)儲(chǔ)能的需要大都是淺充、淺放，但出于體積、安全和有利于維護(hù)的考慮，電池組一般也是分成幾個(gè)串、并聯(lián)的模塊。將單體電池經(jīng)過串、并聯(lián)組成電池箱，每個(gè)電池箱配有1個(gè)電池監(jiān)控單元(battery management unit，BMU)，幾個(gè)BMU組成1個(gè)子電池系統(tǒng)管理單元(slave battery management unit，SBMU)，根據(jù)儲(chǔ)能容量的需要，再由適當(dāng)數(shù)量的SBMU組成1個(gè)主電池系統(tǒng)管理單元(master battery management unit，MBMU)，并配備就地監(jiān)控系統(tǒng)、高壓檢測(cè)和絕緣監(jiān)測(cè)模塊等其他所需的模塊，這些模塊共同構(gòu)成電池管理系統(tǒng)(battery management system，BMS)。BMS的結(jié)構(gòu)如圖2所示。

BMU的主要功能是對(duì)電池箱的電壓和溫度進(jìn)行檢測(cè)，經(jīng)過處理后將其傳輸給SBMU，并對(duì)電池箱內(nèi)的電池進(jìn)行均衡管理；同時(shí)，BMU還要根據(jù)電池箱內(nèi)的溫度，對(duì)本箱電池進(jìn)行熱管理，當(dāng)電池溫度超過最優(yōu)工作溫度區(qū)間或電池溫差大時(shí)，開啟風(fēng)機(jī)，對(duì)電池箱內(nèi)的電池進(jìn)行冷卻，直到電池工作溫度和溫差恢復(fù)到設(shè)計(jì)范圍，控制風(fēng)機(jī)停止。

SBMU的功能是接收BMU傳來的數(shù)據(jù)信息，并檢測(cè)這些電池箱組成的電池子系統(tǒng)的總電流、總電壓和絕緣度，根據(jù)采集的電池?cái)?shù)據(jù)估計(jì)電池組的荷電狀態(tài)(state of charge，SOC)、健康狀況(state of health，SOH)等，并對(duì)電池組的充放電進(jìn)行保護(hù)；同時(shí)判斷電池組的故障狀態(tài)，實(shí)時(shí)上報(bào)給就地監(jiān)控系統(tǒng)，完成與就地監(jiān)控系統(tǒng)的通信。圖3、4分別是BMU和SBMU的結(jié)構(gòu)框圖。

圖1 儲(chǔ)能系統(tǒng)的基本拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

圖3 BMU的結(jié)構(gòu)

根據(jù)儲(chǔ)能需要，要若干個(gè)SBMU組成1個(gè)MBMU來對(duì)整個(gè)儲(chǔ)能電池系統(tǒng)的電池進(jìn)行管理，其中電壓和絕緣檢測(cè)模塊是對(duì)整個(gè)電池儲(chǔ)能子系統(tǒng)的總電壓、絕緣狀態(tài)進(jìn)行檢測(cè)，并對(duì)整個(gè)電池子系統(tǒng)的電池狀態(tài)進(jìn)行匯總和處理，得到該子系統(tǒng)的SOC、故障類型及等級(jí)、最大允許充放電電流等狀態(tài)，并直接面向雙向變流器和監(jiān)控調(diào)度系統(tǒng)，進(jìn)行通訊、管理和控制。為了提高系統(tǒng)可靠性和及時(shí)性，MBMU和雙向變流器之間除了CAN總線以外，還可增加保護(hù)干接點(diǎn)，在CAN總線保護(hù)失效的基礎(chǔ)上，可通過輸出接點(diǎn)信號(hào)至雙向變流器，致使變流器停機(jī)，實(shí)現(xiàn)變流器與電池之間的物理斷開。

圖4 SBMU的結(jié)構(gòu)

考慮到MBMU傳送到變流器的數(shù)據(jù)主要用于控制，實(shí)時(shí)性強(qiáng)，因此傳輸?shù)臄?shù)據(jù)僅限于控制數(shù)據(jù)，包括系統(tǒng)最高單體電池電壓、系統(tǒng)最低單體電池電壓、系統(tǒng)最高溫度、系統(tǒng)SOC、系統(tǒng)最大允許充電電流、系統(tǒng)最大允許放電電流、系統(tǒng)故障代碼等；而為了實(shí)現(xiàn)電池運(yùn)行過程狀態(tài)的全方位監(jiān)控和記錄，MBMU傳送到監(jiān)控調(diào)度系統(tǒng)的數(shù)據(jù)更為詳盡，包括所有單體電池電壓、溫度、各箱電池工作電流、各箱電池SOC、各箱電池最高單體電池電壓及位置、各箱電池最低單體電池電壓及位置、各箱電池最高溫度及位置、各箱電池最低溫度及位置、各箱電池故障代碼、各箱電池最大允許充放電電流、各箱電池工作模式(在線模式或者離線模式)等詳細(xì)數(shù)據(jù)。BMS的通訊主要分為內(nèi)部通訊和外部通訊。外部通訊指BMS與上層監(jiān)控調(diào)度系統(tǒng)的通訊，通過104 TCP/IP 協(xié)議來完成。內(nèi)部通訊指BMS中各個(gè)模塊之間的通訊，選用了可靠性高、抗干擾能力強(qiáng)的CAN總線形式。

由于儲(chǔ)能系統(tǒng)中所用的鋰離子電池的外部特性(如電壓、電流)在系統(tǒng)運(yùn)行過程中根據(jù)需求會(huì)發(fā)生很大的變化，BMS的軟件設(shè)計(jì)也必須滿足實(shí)時(shí)性和多任務(wù)調(diào)度的要求[9]。依據(jù)儲(chǔ)能系統(tǒng)的需求，BMS的軟件設(shè)計(jì)任務(wù)有：?jiǎn)?dòng)任務(wù)、總電壓采集任務(wù)、總電流采集任務(wù)、溫度采集任務(wù)、絕緣檢測(cè)任務(wù)、SOC估計(jì)任務(wù)、變流器數(shù)據(jù)接收任務(wù)、變流器充放電控制任務(wù)、監(jiān)控調(diào)度系統(tǒng)數(shù)據(jù)接收和發(fā)送任務(wù)、數(shù)據(jù)分析任務(wù)、通訊任務(wù)、多級(jí)報(bào)警任務(wù)和空閑任務(wù)等。

2 鋰離子電池管理系統(tǒng)的主要功能

儲(chǔ)能用鋰離子電池管理系統(tǒng)包含有多個(gè)功能模塊，一般有數(shù)據(jù)檢測(cè)功能、統(tǒng)計(jì)存儲(chǔ)功能、運(yùn)行參數(shù)設(shè)定功能、充/放電管理功能、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)定及SOC估計(jì)功能、熱管理功能、電池均衡管理功能、高壓管理功能、絕緣檢測(cè)功能等[3]。其中，單體電池?cái)?shù)據(jù)檢測(cè)、電池狀態(tài)估計(jì)功能和均衡管理功能是目前電池管理系統(tǒng)研究的熱點(diǎn)，本文主要討論該管理系統(tǒng)這3個(gè)功能的實(shí)現(xiàn)策略。

2.1 單體電池?cái)?shù)據(jù)檢測(cè)功能

由于儲(chǔ)能用鋰離子電池系統(tǒng)通常是由上千(萬(wàn))個(gè)單體電池串并聯(lián)組成，所以，每個(gè)單體電池的工作狀態(tài)，不僅反映電池組性能，而且影響電池組的容量及剩余能量，進(jìn)而影響整個(gè)儲(chǔ)能系統(tǒng)的效率。在儲(chǔ)能系統(tǒng)運(yùn)行過程中，如不及時(shí)對(duì)單體電池進(jìn)行檢測(cè)，找出老化電池給予調(diào)整，電池組的容量將變小，壽命將縮短，必將影響整個(gè)電池儲(chǔ)能系統(tǒng)的高效安全運(yùn)行。

單體電池?cái)?shù)據(jù)主要包括電壓和溫度，由BMS中的BMU來進(jìn)行檢測(cè)，BMS的其他功能(包括SOC估計(jì)、剩余能量的計(jì)算等)都是建立對(duì)單體電池工作狀態(tài)進(jìn)行精確檢測(cè)的基礎(chǔ)之上的。在這2個(gè)參數(shù)中，溫度是BMS對(duì)電池的熱管理和安全保護(hù)功能的依據(jù)，當(dāng)電池溫度超過最優(yōu)工作溫度區(qū)間或電池溫差大的時(shí)候，開啟風(fēng)機(jī)，對(duì)本箱電池進(jìn)行熱管理，直到電池工作溫度和溫差恢復(fù)到設(shè)計(jì)范圍。單體電池的電壓是電池的優(yōu)劣狀況的最好體現(xiàn)，也是初步估計(jì)電池的SOC的重要參考依據(jù)。單體電池過充過放的依據(jù)即是電池的端電壓。

目前，單體電池電壓檢測(cè)的難點(diǎn)主要有：(1)儲(chǔ)能系統(tǒng)中的電池系統(tǒng)是由很多個(gè)單體電池串、并聯(lián)組成的，因此需要很多通道來完成單體電池的電壓檢測(cè)。當(dāng)進(jìn)行電壓測(cè)量時(shí)會(huì)產(chǎn)生累積電動(dòng)勢(shì)，同時(shí)每個(gè)單體電池的累積電動(dòng)勢(shì)都不相同，并且沒有一個(gè)統(tǒng)一的辦法來消除這種累積電動(dòng)勢(shì)，這就給電池檢測(cè)電路的設(shè)計(jì)帶來一定的困難。(2)單體電池的測(cè)量精度要求很高，這是因?yàn)镾OC的估計(jì)和其他電池狀態(tài)的估計(jì)都要求單體電池的電壓測(cè)量有很高的測(cè)量精度。

本文所論述的單體電池?cái)?shù)據(jù)檢測(cè)方案采用了比較成熟的凌特公司電池監(jiān)測(cè)芯片LTC6804，該芯片最多可測(cè)12個(gè)串聯(lián)鋰離子電池的電壓，可堆疊式架構(gòu)實(shí)現(xiàn)高電壓電池組的監(jiān)測(cè)，每個(gè)電池輸入均具有1個(gè)相關(guān)聯(lián)的Mosfet開關(guān)，用于對(duì)任何過充電池進(jìn)行放電(100 mA)。每個(gè)LTC6804U具有1個(gè)可單獨(dú)尋址的串行接口，因?yàn)樵试S把多個(gè)LTC6804聯(lián)接到1個(gè)控制處理器上實(shí)現(xiàn)同時(shí)運(yùn)作。圖5利用LTC6804進(jìn)行單體電池?cái)?shù)據(jù)檢測(cè)的原理電路圖。利用這種監(jiān)測(cè)芯片，在實(shí)際的檢測(cè)實(shí)驗(yàn)中，可以滿足儲(chǔ)能用鋰離子電池管理系統(tǒng)的檢測(cè)精度，電壓為2 mV，溫度為0.5 ℃。

2.2 SOC估計(jì)功能

在過去的研究中，學(xué)者們提出了許多種經(jīng)典的估計(jì)剩余電量或SOC的方法，每種方法都有各自的適用范圍，文獻(xiàn)[10-11]專門對(duì)這些方法進(jìn)行了分析比較。文獻(xiàn)[12-14]雖然提出了幾種新的SOC估計(jì)算法，但這些實(shí)時(shí)在線估算都存在著一定的缺陷，不能完全達(dá)到實(shí)際使用的要求。目前國(guó)內(nèi)實(shí)際應(yīng)用的實(shí)時(shí)在線估算SOC的方法仍然采用以電流計(jì)分為主，加上不同的修正的方式[15]。

本文總結(jié)了現(xiàn)有的SOC估算方法的優(yōu)缺點(diǎn)，將安時(shí)積分法與電壓修正法相結(jié)合，形成改進(jìn)的安時(shí)積分法，依靠高精度的模擬量采集和大容量歷史數(shù)據(jù)存儲(chǔ)等功能，同時(shí)考慮溫度、充放電效率、自放電、SOH等對(duì)電池容量的影響，參考當(dāng)前開路電壓和歷史負(fù)載電壓曲線，結(jié)合外特性試驗(yàn)建立的數(shù)值模型設(shè)定SOC估算策略，對(duì)鋰離子電池的SOC進(jìn)行估算。

圖5 單體電池?cái)?shù)據(jù)檢測(cè)的原理電路圖

安時(shí)積分法也叫電荷累積法，將電池看作1個(gè)黑箱，而不考慮電池內(nèi)部的結(jié)構(gòu)和外部的電氣特性，認(rèn)為流進(jìn)電池的電量與流出電池的電量相等[10-11]。

假設(shè)電池的充放電起始狀態(tài)為CSOC0，那么電池當(dāng)前狀態(tài)為

(1)

式中：CN為為額定容量；I為電池電流；η為充放電效率，不是常數(shù)。

在實(shí)際計(jì)算中，還要同時(shí)考慮溫度、放電倍率和電池壽命等因素對(duì)SOC的影響，然后用電壓對(duì)這種方法進(jìn)行修正。

采用這種方法，對(duì)儲(chǔ)能中的某“3并16串”的磷酸鐵鋰電池箱進(jìn)行了電池SOC估算技術(shù)的實(shí)驗(yàn)檢測(cè)，下面是按照恒流充電測(cè)試和脈沖充放電測(cè)試得到的測(cè)試數(shù)據(jù)和結(jié)果分析。圖6是在以恒流100 A連續(xù)充電方式下的SOC計(jì)算值曲線。

在充電開始前，以固定100 A放電電流對(duì)電池箱放電到截止條件后靜置30 min，啟動(dòng)系統(tǒng)得到此時(shí)的CSOC計(jì)算值為3.2%。以恒定100 A的電流對(duì)電池組充電，整個(gè)充電過程持續(xù)3 h 28 min 39 s，充放電設(shè)備輸出總安時(shí)數(shù)為348.5 A·h。表1為充放電設(shè)備輸出不同安時(shí)數(shù)時(shí)所對(duì)應(yīng)的CSOC估算值。

圖6 100 A連續(xù)充電下的SOC計(jì)算值

在充電完畢后，靜置電池組16 h后，測(cè)量電池組總電壓為53.44 V，平均單節(jié)電池電壓3.34 V，通過查表可以得出此時(shí)的CSOC為95%。因此在1個(gè)充電循環(huán)結(jié)束后CSOC的計(jì)算誤差2.2%。圖7是以0.3 C進(jìn)行分段充電的CSOC曲線。

由圖7可知：在這個(gè)充電過程中，CSOC為電池管理系統(tǒng)的計(jì)算值，每次充電結(jié)束的依據(jù)是充放電設(shè)備輸出的安時(shí)數(shù)達(dá)到36 A·h，由于第1次充電時(shí)CSOC0=4.6%，因此第1次充電時(shí)輸出的安時(shí)數(shù)為19.44 A·h，最后1次由于達(dá)到充電截止條件，因此充放電設(shè)備輸出的安時(shí)數(shù)為30.71 A·h。本次測(cè)試中CSOC計(jì)算值與安時(shí)數(shù)的對(duì)應(yīng)關(guān)系如表2所示。

表1 充放電設(shè)備輸出不同安時(shí)數(shù)時(shí)所對(duì)應(yīng)的SOC估算值

圖7 0.3C分段充電電流測(cè)試曲線

表2 CSOC計(jì)算值和安時(shí)數(shù)的對(duì)應(yīng)關(guān)系

從表2可看出：當(dāng)輸入36 A·h的能量時(shí)，CSOC的增量平均值為9.35%。適當(dāng)調(diào)整影響損失能量的系統(tǒng)參數(shù)，建立精確的系統(tǒng)模型，就可以得到更加符合實(shí)際系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，從而提高系統(tǒng)的計(jì)算精度。

通過上面2個(gè)實(shí)驗(yàn)的測(cè)試結(jié)果可以看出，在連續(xù)充電模式下，CSOC的計(jì)算值與實(shí)際值的誤差為+2.2%，滿足實(shí)際需求的CSOC估算精度指標(biāo)。在分段充電模式下，在每個(gè)SOC平臺(tái)階段的計(jì)算值都低于實(shí)際輸入的安時(shí)數(shù)，這符合電池的充電特性，即輸入的安時(shí)數(shù)一部分以能量形式存儲(chǔ)，小部分以其他形式損耗。由于存在能量損耗，由連續(xù)充電模式下的估算結(jié)果，實(shí)際的CSOC值會(huì)低于按照安時(shí)法計(jì)算得出的5%左右，也滿足實(shí)際應(yīng)用的需求。

2.3 均衡功能

由于鋰離子電池具有明顯的非線性、不一致性和時(shí)變特性，因此在實(shí)際應(yīng)用中，隨著鋰離子電池充放電次數(shù)的增多，加上內(nèi)阻、自放電等因素的影響，各單體鋰電池內(nèi)部特性的不一致，會(huì)嚴(yán)重破壞鋰離子電池性能。因此，為了能最大程度地發(fā)揮鋰電池組的性能，延長(zhǎng)其使用壽命，必須要對(duì)鋰電池在充、放電時(shí)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，對(duì)電池間的不一致性進(jìn)行均衡處理，削平電池間的差異，使電池保持較好的一致性，達(dá)到延長(zhǎng)電池壽命降低成本的目的[17]。

目前，儲(chǔ)能用鋰離子電池均衡管理的方法主要有被動(dòng)均衡、主動(dòng)均衡和2種均衡相結(jié)合這3種方式[18]。

被動(dòng)均衡是通過高值電阻將某些電池單元的過剩電量分流消耗的方式，使高電量電池單元與低電量電池單元電量達(dá)到均衡的方法。這種方法使用的裝置是電池均衡裝置中最簡(jiǎn)單、最經(jīng)濟(jì)的，也是目前應(yīng)用最廣的。但其缺點(diǎn)也很明顯，只能做充電均衡，而且，在充電均衡過程中，多余的能量要作為熱量釋放掉，會(huì)造成整個(gè)系統(tǒng)效率低下，功耗提高。所以為了防止均衡過程中電池過熱，被動(dòng)均衡的電流一般都很小，目前大約是幾10 mA。主動(dòng)均衡是在充、放電過程中，不把電壓較高的電池電能通過電阻消耗掉，而是利用一種主動(dòng)往復(fù)充電的元件，將電量從一個(gè)電池單元轉(zhuǎn)到另一個(gè)上，從而實(shí)現(xiàn)鋰電池組的均衡充放電的方法。這種方法因?yàn)槭峭饨与娮釉?，所以相?duì)均衡電流比較大，目前可做到幾A。但這種方法因?yàn)榧夹g(shù)還不成熟，需要設(shè)計(jì)專門的電路來實(shí)現(xiàn)，因而會(huì)增加成本，減低可靠性，所以還需要進(jìn)一步的研究。

本研究采用是一種基于雙向能量轉(zhuǎn)移的均衡架構(gòu)及策略，將主動(dòng)均衡和被動(dòng)均衡相結(jié)合，以各個(gè)單體電池的工作電壓一致作為均衡目標(biāo)，通過充放電過程中的主動(dòng)均衡功能和連續(xù)不間斷小電流的被動(dòng)均衡來達(dá)到均衡目的。這種策略是采用高壓雙向DC/DC電路模塊和公共的內(nèi)部12 V電源總線，并通過SBMU單元集中調(diào)度整個(gè)電池組串內(nèi)啟動(dòng)均衡的通道數(shù)量，可以實(shí)現(xiàn)電池模組之間的能量轉(zhuǎn)移以及內(nèi)部12 V電源總線與電池組高壓母線之間的能量轉(zhuǎn)移，從而實(shí)現(xiàn)整個(gè)電池組串內(nèi)部各單體電池之間的均衡和電池模組之間的均衡，對(duì)均衡的能量實(shí)現(xiàn)了有效的回收利用，避免了由于均衡導(dǎo)致的發(fā)熱問題。這種方法可以使主動(dòng)均衡的電流達(dá)到2 A，在實(shí)際的試驗(yàn)檢測(cè)中，能起到很好的均衡效果，如圖8所示。

圖8 均衡電路和均衡效果

3 結(jié) 論

(1)從實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，本文所設(shè)計(jì)的儲(chǔ)能用鋰離子電池管理系統(tǒng)所提出的分層管理的方法符合儲(chǔ)能的應(yīng)用要求，并且電池管理系統(tǒng)的各項(xiàng)功能可以很好地滿足實(shí)際電池管理的需求，可以為后續(xù)鋰離子電池管理系統(tǒng)的研究提供一種全新的研究方向。

(2)結(jié)合本文所述的電池管理系統(tǒng)的研究方法可以推出電池管理系統(tǒng)的一般研究步驟：首先了解鋰離子電池的機(jī)理，然后進(jìn)一步研究電池的內(nèi)特性變化過程，同時(shí)通過對(duì)電池本體進(jìn)行一系列的性能試驗(yàn)，找出影響電池特性的主要因素和次要因素，再根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果和經(jīng)驗(yàn)公式建立電池模型和BMS模型；最后根據(jù)精度的要求和經(jīng)濟(jì)成本的考慮，采用相應(yīng)的控制技術(shù)實(shí)現(xiàn)在線或離線的電池管理，來確保電池能夠安全和可靠的運(yùn)行。

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(編輯：蔣毅恒)

Li-ionBatteryManagementSystemforLarge-ScaleEnergyStorage

XU Shouping, HOU Chaoyong, HU Juan, WANG Huanling

(China Electric Power Research Institute, Beijing 100192, China)

Li-ion battery has been widely used in high-voltage large-capacity energy storage because of its good performance. However, the capacity of single Li-ion battery is too large to produce high temperature during the charging and discharging process, which may induce unsafe factors, so the Li-ion battery management system must be designed to maintain the safety operation of battery and prolong its cycle life. According to the characteristics of Li-ion battery in energy storage system, this paper proposed a new hierarchical management strategy of Li-ion battery for energy storage system, discussed the structure and function of each layer, and emphatically introduced the main function of Li-ion battery management system, especially the data acquisition function of single cell, the state estimation function and the equilibrium management function. Moreover, their experiment strategies had verified by experiments. The experimental results show that the management system can meet the need of the energy storage system, and realize the state estimation function with high precision and efficient state estimation function for Li-ion battery.

energy storage system; battery management system; data acquisition; state estimation; equilibrium management

“十一五”國(guó)家科技支撐計(jì)劃重大項(xiàng)目(2011BAA07B07)。

TM 715

： A

： 1000-7229(2014)05-0072-07

10.3969/j.issn.1000-7229.2014.05.012

2014-01-03

：2014-01-20

許守平(1978)，男，碩士，工程師，從事大規(guī)模儲(chǔ)能技術(shù)和可再生能源發(fā)電技術(shù)方面的研究，E-mail：xushouping@epri.sgcc.com.cn；

侯朝勇(1979)，男，博士，工程師，從事大規(guī)模儲(chǔ)能技術(shù)和微網(wǎng)技術(shù)研究；

胡娟(1979)，女，碩士，高級(jí)工程師，從事大規(guī)模儲(chǔ)能技術(shù)研究；

汪奐伶(1988)，女，本科，助理工程師，從事大規(guī)模儲(chǔ)能技術(shù)研究。