儲(chǔ)能電站一般由成千上萬(wàn)的單體電池串并聯(lián)而成，為了確保這些單體電池能夠安全有效運(yùn)行，需要采用專門(mén)的電池管理系統(tǒng)（ＢＭＳ）對(duì)電池進(jìn)行監(jiān)控和管理。
現(xiàn)有的ＢＭＳ系統(tǒng)主要是針對(duì)電動(dòng)汽車設(shè)計(jì)的，與電動(dòng)汽車相比，儲(chǔ)能系統(tǒng)中含有的串并聯(lián)單體電池?cái)?shù)量更多，導(dǎo)致儲(chǔ)能系統(tǒng)結(jié)構(gòu)更加復(fù)雜，對(duì)ＢＭＳ系統(tǒng)的處理能力要求也大大提高。
因此為了更好地滿足儲(chǔ)能系統(tǒng)的實(shí)際需求，需要對(duì)儲(chǔ)能中ＢＭＳ系統(tǒng)的功能和結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，并在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)一款適用于儲(chǔ)能應(yīng)用的ＢＭＳ系統(tǒng)。
為此，基于對(duì)儲(chǔ)能中ＢＭＳ系統(tǒng)功能需求的分析及各主流電池管理芯片參數(shù)的對(duì)比，選擇ＮＸＰ公司生產(chǎn)的MC33771作為ＢＭＳ系統(tǒng)中的模擬量采樣芯片，并設(shè)計(jì)了３層系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)電池電壓、溫度、電流等模擬量的采樣，并完成系統(tǒng)其他功能設(shè)計(jì)。
以鈦酸鋰電池組為測(cè)試對(duì)象，結(jié)果表明，所設(shè)計(jì)的ＢＭＳ系統(tǒng)能夠準(zhǔn)確采樣各種信息并以此為基礎(chǔ)實(shí)現(xiàn)其他設(shè)定的功能，能夠滿足儲(chǔ)能系統(tǒng)的使用需求。
儲(chǔ)能應(yīng)用中的BMS結(jié)構(gòu)
對(duì)比目前常見(jiàn)的幾種主流電池模擬量采樣芯片，MC33771具有更多的電壓采樣通道以及寬溫范圍內(nèi)最高的測(cè)量精度，并且采用菊花鏈通信的方式省去了昂貴的數(shù)字隔離器，因此采用MC33771作為模擬量采樣芯片。
采用菊花鏈通信的方式１次最多可掛接１５個(gè)MC33771，而每個(gè)MC33771可管理１４串電池，所以１個(gè)控制器通過(guò)１條菊花鏈最多可實(shí)現(xiàn)對(duì)２１０節(jié)電池的管理。
而每個(gè)控制器之間則可通過(guò)１個(gè)主控制器完成系統(tǒng)整體的運(yùn)行和協(xié)調(diào)，實(shí)現(xiàn)管理更多電池的功能，并且采用主從控制器結(jié)合的方式能夠避免單個(gè)控制器任務(wù)量過(guò)大，影響系統(tǒng)實(shí)時(shí)處理能力的問(wèn)題。
為此，本文采用３層結(jié)構(gòu)的方案，具體結(jié)構(gòu)框圖如圖１所示。
底層是：MC33771及其附屬電路構(gòu)成的BSU，負(fù)責(zé)采集電池各項(xiàng)信息；
中間層:是從控制器組成的ＢＣＵ，主要負(fù)責(zé)通過(guò)菊花鏈的通信方式控制各自的BSU完成數(shù)據(jù)采集的功能，并將相應(yīng)數(shù)據(jù)上傳；
上層是ＢＭＵ:負(fù)責(zé)系統(tǒng)內(nèi)部的整體協(xié)調(diào)以及與外部信息交互，根據(jù)外部請(qǐng)求控制整個(gè)ＢＭＳ系統(tǒng)的運(yùn)行過(guò)程。
BMS系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)
BMS系統(tǒng)硬件主要分為BSU、BCU和BMU。為了節(jié)省設(shè)計(jì)時(shí)間，將ＢＣＵ和ＢＭＵ的硬件結(jié)構(gòu)統(tǒng)一，只需根據(jù)不同功能焊接相應(yīng)器件即可。
1.ＢＳＵ硬件設(shè)計(jì)
ＢＳＵ主要由MC33771及其附屬電路組成，其中MC33771主要完成電池的電壓、溫度采集以及各種故障檢測(cè)和均衡功能。其中，電壓采樣與均衡電路如圖２所示，溫度采樣則通過(guò)計(jì)算熱敏電阻阻值的方式實(shí)現(xiàn)。
MC33771采用菊花鏈完成信息的上傳下達(dá)，通過(guò)控制內(nèi)部相應(yīng)MOS管的通斷實(shí)現(xiàn)最大通態(tài)電流為300ｍＡ的被動(dòng)均衡功能。采用菊花鏈通信無(wú)需額外的高速光耦以及配套的隔離電源，只需１個(gè)隔離變壓器ＨＭ2012ＮＬ即可實(shí)現(xiàn)２片級(jí)聯(lián)的MC33771之間的信息傳遞，節(jié)省了成本。
菊花鏈采用差分信號(hào)傳輸數(shù)據(jù)，為了能夠?qū)崿F(xiàn)MC33771與控制器（單片機(jī)）的正常通信，需要采用ＭＣ33664信號(hào)轉(zhuǎn)換芯片將差分信號(hào)轉(zhuǎn)換為ＳＰＩ信號(hào)。菊花鏈通信的結(jié)構(gòu)示意圖如圖３所示。
2.ＢＣＵ與ＢＭＵ硬件設(shè)計(jì)
ＢＣＵ與ＢＭＵ采用相同的硬件結(jié)構(gòu)，根據(jù)功能需求焊接不同器件，其硬件結(jié)構(gòu)主要分為主控制器、電流測(cè)量電路、ＣＡＮ通信電路以及繼電器驅(qū)動(dòng)電路等。
（1）主控制器設(shè)計(jì)
主控制器采用ＳＴ公司生產(chǎn)的STM32F405RGT6。它是一種32位的ＡＲＭ架構(gòu)處理器，主頻高達(dá)１６８ＭＨｚ，內(nèi)部具有１Ｍ的Ｆｌａｓｈ容量，外部采用６４引腳的封裝，集成了３路ＳＰＩ總線、２路ＣＡＮ總線，可以滿足系統(tǒng)的需求。
STM32F405RGT6
（2）ＣＡＮ總線通信電路
ＢＭＵ和ＢＣＵ之間通過(guò)ＣＡＮ總線傳輸信息，采用ＴＪＡ1040Ｔ作為ＣＡＮ總線收發(fā)芯片。
ＴＪＡ1040Ｔ
鑒于系統(tǒng)中串聯(lián)了大量單體電池，為防止地電位不同導(dǎo)致的共模干擾以及對(duì)ＣＡＮ收發(fā)芯片造成的損壞，在單片機(jī)ＣＡＮ通信接口與ＣＡＮ總線收發(fā)芯片之間串入ＡＤＵＭ1201ＢＲＺ雙向磁隔離器實(shí)現(xiàn)信號(hào)的隔離，并在ＣＡＮ收發(fā)器輸入端并聯(lián)１２０Ω電阻抑制回波反射。ＣＡＮ總線通信電路如圖４所示
（3）充放電控制電路
ＢＭＵ負(fù)責(zé)根據(jù)外部相應(yīng)的請(qǐng)求和ＢＭＳ系統(tǒng)內(nèi)部狀態(tài)控制充放電過(guò)程，采用繼電器作為充放電主回路的開(kāi)關(guān)。以ＭＯＳＦＥＴ驅(qū)動(dòng)電路控制繼電器的吸合，完成相應(yīng)的動(dòng)作，具體的驅(qū)動(dòng)電路如圖５所示。
其中，ＰＩＮ１和ＰＩＮ２是與繼電器相應(yīng)觸點(diǎn)連接的端點(diǎn)；ＩＯ為單片機(jī)的控制引腳；串聯(lián)反二極管的作用是吸收ＭＯＳ管關(guān)斷時(shí)繼電器線圈上的電流。
（4）電流測(cè)量電路
本文基于分流器的方式測(cè)量回路電流，采用的分流器規(guī)格為500Ａ／75ｍＶ。由于直接使用單片機(jī)的ＡＤ引腳測(cè)量分流器的電壓會(huì)導(dǎo)致巨大的測(cè)量誤差，因此本文采用亞德諾半導(dǎo)體生產(chǎn)的ADUCM331作為電流采樣芯片。
分流器
ADUCM331是一款基于ＡＲＭＣｏｒｔｅｘ－Ｍ３架構(gòu)的32位處理器，采樣電壓范圍為－200～＋300ｍＶ，電流采樣精度為20位，最大采樣頻率可達(dá)８ｋＨｚ.
ADUCM331
通過(guò)ＳＰＩ總線或ＵＡＲＴ方式實(shí)現(xiàn)與外部通信，并可通過(guò)ＳＷＤ引腳完成程序下載。為了保護(hù)ADUCM331的電流采樣引腳，接入必要的限流和限壓電路，具體的電流采樣保護(hù)電路結(jié)構(gòu)如圖６所示。
BMS系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
ＢＭＳ軟件功能主要包括電壓、電流、溫度采樣，均衡功能，充放電控制，故障預(yù)警和ＳＯＣ估算等。其中電池電壓、溫度、電流精確采樣是實(shí)現(xiàn)其他功能的基礎(chǔ)。
１.初始化MC33771
執(zhí)行采樣功能之前，首先要對(duì)MC33771初始化。初始化流程如下。
（１）通信初始化。對(duì)ＳＴＭ３２Ｆ４０５的ＳＰＩ１和ＳＰＩ２分別初始化，因?yàn)橥ㄟ^(guò)ＭＣ３３６６４轉(zhuǎn)換后的通信速率高達(dá)２Ｍｂ／ｓ，直接使用ＳＰＩ接收中斷無(wú)法正常讀取返回信息，所以采用ＤＭＡ的方式接收返回的數(shù)據(jù)。
（２）MC33771初始化。ＳＰＩ初始化后，ＢＣＵ對(duì)所有MC33771發(fā)送復(fù)位指令，將每個(gè)MC33771的ＩＮＩＴ寄存器都設(shè)置為０ｘ００，使所有的MC33771的ＩＤ號(hào)都為０。復(fù)位完成后按菊花鏈級(jí)聯(lián)的順序重新依次賦予不同的ＩＤ。
（３）初始化MC33771中系統(tǒng)控制寄存器ＳＹＳ＿ＣＦＧ１和ＳＹＳ＿ＣＦＧ２以及需要配置成溫度測(cè)量功能的ＧＰＩＯ端口。
（４）故障預(yù)警設(shè)置。MC33771中自帶有過(guò)壓欠壓、過(guò)溫欠溫、均衡開(kāi)路和短路等相關(guān)預(yù)警功能，對(duì)于需要用到的預(yù)警功能，使能ＦＡＵＬＴ＿ＭＡＳＫｘ寄存器中相應(yīng)數(shù)據(jù)位即可，對(duì)于不需要用到的預(yù)警功能則進(jìn)行屏蔽。
（５）將設(shè)定的過(guò)壓、欠壓閾值寫(xiě)入ＴＨ＿ＡＬＬ＿ＣＴ寄存器中，將過(guò)溫、欠溫閾值寫(xiě)入相應(yīng)的ＴＨ＿ＡＮｘ＿ＯＴ和ＴＨ＿ＡＮｘ＿ＵＴ寄存器里。
２.電壓溫度采樣
完成初始化流程后，即可對(duì)MC33771下達(dá)信號(hào)采集命令，MC33771主要采集各節(jié)電池的電壓以及溫度數(shù)據(jù)。
首先將轉(zhuǎn)換命令寫(xiě)入ＡＤＣ＿ＣＦＧ寄存器中使得相應(yīng)MC33771啟動(dòng)轉(zhuǎn)換，等待轉(zhuǎn)換完成后，讀取對(duì)應(yīng)的ＭＥＡＳ＿ＣＥＬＬ或ＭＥＡＳ＿ＡＮ寄存器中的數(shù)值并通過(guò)公式計(jì)算出真實(shí)的電壓和溫度信息。具體的采樣流程如圖７所示。
３.電流采樣電
流采樣是通過(guò)Ａｄｕｃｍ３３１電流采樣芯片完成的，需要對(duì)Ａｄｕｃｍ３３１的相關(guān)寄存器進(jìn)行配置，具體流程如圖８所示。
結(jié)語(yǔ)
本文通過(guò)對(duì)儲(chǔ)能應(yīng)用中ＢＭＳ系統(tǒng)功能和結(jié)構(gòu)的分析，完成了相應(yīng)的軟硬件設(shè)計(jì)并對(duì)設(shè)計(jì)的系統(tǒng)進(jìn)行了實(shí)際測(cè)試，結(jié)論如下：基于３層結(jié)構(gòu)的ＢＭＳ系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)管理多節(jié)單體電池的功能，適用于大容量的儲(chǔ)能系統(tǒng)；
所設(shè)計(jì)的ＢＭＳ系統(tǒng)能夠精確采集電池電壓、電流、溫度等數(shù)據(jù)，并在此基礎(chǔ)上有效完成如故障檢測(cè)與保護(hù)和電池組ＳＯＣ估算等功能，滿足實(shí)際的應(yīng)用要求。
參考資料：儲(chǔ)能應(yīng)用中的ＢＭＳ系統(tǒng)設(shè)計(jì)，作者：陸 凡，劉 東
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