储能应用中的BMS系统设计

木犯001号

储能应用中的BMS系统设计 [复制链接]

储能电站一般由成千上万的单体电池串并联而成，为了确保这些单体电池能够安全有效运行，需要采用专门的电池管理系统（ＢＭＳ）对电池进行监控和管理。

现有的ＢＭＳ系统主要是针对电动汽车设计的，与电动汽车相比，储能系统中含有的串并联单体电池数量更多，导致储能系统结构更加复杂，对ＢＭＳ系统的处理能力要求也大大提高。

因此为了更好地满足储能系统的实际需求，需要对储能中ＢＭＳ系统的功能和结构进行分析，并在此基础上设计一款适用于储能应用的ＢＭＳ系统。

为此，基于对储能中ＢＭＳ系统功能需求的分析及各主流电池管理芯片参数的对比，选择ＮＸＰ公司生产的MC33771作为ＢＭＳ系统中的模拟量采样芯片，并设计了３层系统结构，实现电池电压、温度、电流等模拟量的采样，并完成系统其他功能设计。

以钛酸锂电池组为测试对象，结果表明，所设计的ＢＭＳ系统能够准确采样各种信息并以此为基础实现其他设定的功能，能够满足储能系统的使用需求。

 

 

对比目前常见的几种主流电池模拟量采样芯片，MC33771具有更多的电压采样通道以及宽温范围内最高的测量精度，并且采用菊花链通信的方式省去了昂贵的数字隔离器，因此采用MC33771作为模拟量采样芯片。

采用菊花链通信的方式１次最多可挂接１５个MC33771，而每个MC33771可管理１４串电池，所以１个控制器通过１条菊花链最多可实现对２１０节电池的管理。

而每个控制器之间则可通过１个主控制器完成系统整体的运行和协调，实现管理更多电池的功能，并且采用主从控制器结合的方式能够避免单个控制器任务量过大，影响系统实时处理能力的问题。

为此，本文采用３层结构的方案，具体结构框图如图１所示。

底层是：MC33771及其附属电路构成的BSU，负责采集电池各项信息；

中间层:是从控制器组成的ＢＣＵ，主要负责通过菊花链的通信方式控制各自的BSU完成数据采集的功能，并将相应数据上传；

上层是ＢＭＵ:负责系统内部的整体协调以及与外部信息交互，根据外部请求控制整个ＢＭＳ系统的运行过程。

BMS系统硬件设计

BMS系统硬件主要分为BSU、BCU和BMU。为了节省设计时间，将ＢＣＵ和ＢＭＵ的硬件结构统一，只需根据不同功能焊接相应器件即可。

1.ＢＳＵ硬件设计

ＢＳＵ主要由MC33771及其附属电路组成，其中MC33771主要完成电池的电压、温度采集以及各种故障检测和均衡功能。其中，电压采样与均衡电路如图２所示，温度采样则通过计算热敏电阻阻值的方式实现。

MC33771采用菊花链完成信息的上传下达，通过控制内部相应MOS管的通断实现最大通态电流为300ｍＡ的被动均衡功能。采用菊花链通信无需额外的高速光耦以及配套的隔离电源，只需１个隔离变压器ＨＭ2012ＮＬ即可实现２片级联的MC33771之间的信息传递，节省了成本。

菊花链采用差分信号传输数据，为了能够实现MC33771与控制器（单片机）的正常通信，需要采用ＭＣ33664信号转换芯片将差分信号转换为ＳＰＩ信号。菊花链通信的结构示意图如图３所示。

2.ＢＣＵ与ＢＭＵ硬件设计

ＢＣＵ与ＢＭＵ采用相同的硬件结构，根据功能需求焊接不同器件，其硬件结构主要分为主控制器、电流测量电路、ＣＡＮ通信电路以及继电器驱动电路等。

（1）主控制器设计

主控制器采用ＳＴ公司生产的STM32F405RGT6。它是一种32位的ＡＲＭ架构处理器，主频高达１６８ＭＨｚ，内部具有１Ｍ的Ｆｌａｓｈ容量，外部采用６４引脚的封装，集成了３路ＳＰＩ总线、２路ＣＡＮ总线，可以满足系统的需求。

STM32F405RGT6

（2）ＣＡＮ总线通信电路

ＢＭＵ和ＢＣＵ之间通过ＣＡＮ总线传输信息，采用ＴＪＡ1040Ｔ作为ＣＡＮ总线收发芯片。

ＴＪＡ1040Ｔ

鉴于系统中串联了大量单体电池，为防止地电位不同导致的共模干扰以及对ＣＡＮ收发芯片造成的损坏，在单片机ＣＡＮ通信接口与ＣＡＮ总线收发芯片之间串入ＡＤＵＭ1201ＢＲＺ双向磁隔离器实现信号的隔离，并在ＣＡＮ收发器输入端并联１２０Ω电阻抑制回波反射。ＣＡＮ总线通信电路如图４所示

（3）充放电控制电路

ＢＭＵ负责根据外部相应的请求和ＢＭＳ系统内部状态控制充放电过程，采用继电器作为充放电主回路的开关。以ＭＯＳＦＥＴ驱动电路控制继电器的吸合，完成相应的动作，具体的驱动电路如图５所示。

其中，ＰＩＮ１和ＰＩＮ２是与继电器相应触点连接的端点；ＩＯ为单片机的控制引脚；串联反二极管的作用是吸收ＭＯＳ管关断时继电器线圈上的电流。

（4）电流测量电路

本文基于分流器的方式测量回路电流，采用的分流器规格为500Ａ／75ｍＶ。由于直接使用单片机的ＡＤ引脚测量分流器的电压会导致巨大的测量误差，因此本文采用亚德诺半导体生产的ADUCM331作为电流采样芯片。

分流器

ADUCM331是一款基于ＡＲＭＣｏｒｔｅｘ－Ｍ３架构的32位处理器，采样电压范围为－200～＋300ｍＶ，电流采样精度为20位，最大采样频率可达８ｋＨｚ.

ADUCM331

通过ＳＰＩ总线或ＵＡＲＴ方式实现与外部通信，并可通过ＳＷＤ引脚完成程序下载。为了保护ADUCM331的电流采样引脚，接入必要的限流和限压电路，具体的电流采样保护电路结构如图６所示。

BMS系统软件设计

ＢＭＳ软件功能主要包括电压、电流、温度采样，均衡功能，充放电控制，故障预警和ＳＯＣ估算等。其中电池电压、温度、电流精确采样是实现其他功能的基础。

１.初始化MC33771

执行采样功能之前，首先要对MC33771初始化。初始化流程如下。

（１）通信初始化。对ＳＴＭ３２Ｆ４０５的ＳＰＩ１和ＳＰＩ２分别初始化，因为通过ＭＣ３３６６４转换后的通信速率高达２Ｍｂ／ｓ，直接使用ＳＰＩ接收中断无法正常读取返回信息，所以采用ＤＭＡ的方式接收返回的数据。

（２）MC33771初始化。ＳＰＩ初始化后，ＢＣＵ对所有MC33771发送复位指令，将每个MC33771的ＩＮＩＴ寄存器都设置为０ｘ００，使所有的MC33771的ＩＤ号都为０。复位完成后按菊花链级联的顺序重新依次赋予不同的ＩＤ。

（３）初始化MC33771中系统控制寄存器ＳＹＳ＿ＣＦＧ１和ＳＹＳ＿ＣＦＧ２以及需要配置成温度测量功能的ＧＰＩＯ端口。

（４）故障预警设置。MC33771中自带有过压欠压、过温欠温、均衡开路和短路等相关预警功能，对于需要用到的预警功能，使能ＦＡＵＬＴ＿ＭＡＳＫｘ寄存器中相应数据位即可，对于不需要用到的预警功能则进行屏蔽。

（５）将设定的过压、欠压阈值写入ＴＨ＿ＡＬＬ＿ＣＴ寄存器中，将过温、欠温阈值写入相应的ＴＨ＿ＡＮｘ＿ＯＴ和ＴＨ＿ＡＮｘ＿ＵＴ寄存器里。

２.电压温度采样

完成初始化流程后，即可对MC33771下达信号采集命令，MC33771主要采集各节电池的电压以及温度数据。

首先将转换命令写入ＡＤＣ＿ＣＦＧ寄存器中使得相应MC33771启动转换，等待转换完成后，读取对应的ＭＥＡＳ＿ＣＥＬＬ或ＭＥＡＳ＿ＡＮ寄存器中的数值并通过公式计算出真实的电压和温度信息。具体的采样流程如图７所示。

３.电流采样电

流采样是通过Ａｄｕｃｍ３３１电流采样芯片完成的，需要对Ａｄｕｃｍ３３１的相关寄存器进行配置，具体流程如图８所示。

结语

本文通过对储能应用中ＢＭＳ系统功能和结构的分析，完成了相应的软硬件设计并对设计的系统进行了实际测试，结论如下：基于３层结构的ＢＭＳ系统可以实现管理多节单体电池的功能，适用于大容量的储能系统；

所设计的ＢＭＳ系统能够精确采集电池电压、电流、温度等数据，并在此基础上有效完成如故障检测与保护和电池组ＳＯＣ估算等功能，满足实际的应用要求。

参考资料：储能应用中的ＢＭＳ系统设计，作者：陆 凡，刘 东

mzwangliming

可以提供原理图吗？