一种大功率主动均衡电池管理系统发明专利

专利名称：一种大功率主动均衡电池管理系统

专利类型：发明专利

专利申请号：CN202110968218.6

专利申请（专利权）人：国网辽宁省电力有限公司营口供电公司,国家电网有限公司
权利人地址：辽宁省营口市站前区渤海大街东40号

专利发明（设计）人：发明人:王家同,王志宏,王靖茹,顾晓华,郭维一,高永俊,隋合轼,张时雨,高千

专利摘要：一种大功率主动均衡电池管理系统，其特征在于：采用单片机做为系统控制主芯片，集成自研软件程序灵活控制系统管理逻辑；基于电力电子器件MOSFET做为主功率回路开关，并且多一路旁路开关；模拟采样芯片采用模拟开关做为采样芯片；主控制芯片采用ARM核芯片，自带12位ADC和多路CAN，RS485串口通信；支持模数转换精度1％以上，32位处理器，72MHZ，能满足16串电池单体的电压、电流、温度、等数据信息的采集和管控。本发明优点：是专门给锂电池包括磷酸铁锂，三元锂电池的监控和保护使用。尤其属于大功率储能系统BMS管理器产品，电路内部具备单片机控制器，可以与储能系统中央控制器进行通信。

主权利要求：
1.一种大功率主动均衡电池管理系统，其特征在于：采用单片机做为系统控制主芯片，基于电力电子器件MOSFET做为主功率回路开关，并且多一路旁路开关；模拟采样芯片采用模拟开关做为采样芯片；主控制芯片采用ARM核芯片，自带12位ADC和多路CAN，RS485串口通信；支持模数转换精度1％以上，32位处理器，72MHZ，能满足16串电池单体的电压、电流、温度、数据信息的采集和管控；
主功率开关器件采用MOSFET，MOSFET为超级结开关，通流能力非常强，耐压80V以内，通流120A，导通阻抗2毫欧以内，采用多个同规格的MOSFET并联使用，增加通流能力，MOSFET的控制速度能以达到纳秒级别；电池类似于一个超大容量的电容，其充放电电压和电流不会发生阶跃，控制精度在毫秒极即能；
模拟采样前端能以采用现场的芯片完成；
电池管理系统，为单串系统，最多串联数量为16串，标称总电压为磷酸铁锂电池51.2V，三元电池59.2V，电流设计值为电芯1C标准；电池管理系统能进行系统间的级联，最多能级联64级；级联后的电池管理系统之家通信采用菊花链形式级联；最后与EMS链接，通信线路与各电池管理系统内部电路是隔离的；
电池管理系统总电压的采集方式为两种，一种是在16串电池组总正和总负之间的电压采样线经过除法器进行等比例缩减；第二种采样方式为各单体电池采样电压的加法计算；
两种采样方式在芯片内部进行比较，如果偏差大于阈值则系统报错，如果偏差在阈值以内则取平均数；
电池管理系统总电流采样方式为分段采集，在每个电池管理系统内部集成一个直流霍尔采集，串联系统流经每个电池的电流相同，并且与总输出电流相同所以支路电流与总电流进行比较，如果存在较大偏差则能判断储能系统内部电流有分流或内短现象，总的储能系统电流为多个支路电流叠加；电池管理系统集成3路温度监测探头，一路放置于电池极柱上，一路放置于电池组串安装的箱体内部空间，一路放置于电池组串中心点电池的金属壳体上；在高倍率充放电过程中，电芯会产生热量，热量的分布点不同，电池极柱的温度最高，电池壳体次之，最低是电池组串的环境温度；根据温度采样数据通过与EMS通信，配置充放电功率；电池组串由于电池自身特性，工作温度控制在0℃‑60℃范围内；
当电池组工作环境温度较低时配置充电电流应在0.5C以下，放电电流也同样控制在
0.5C以下；当电池组串环境温度允许高倍率充放电工作时再配置1C以上倍率工作；具体配置比例能参考电池规格书具体配置，参数能由程序定义；设置了“不满足条件退出制”控制逻辑，就是把电池的状态设置若干个模拟阈值区间，在区间内时正常工作，当在该设定区间外时则判断进入下一个管控逻辑；当经过控制和处理之后的电池达到设定阈值标准时再次接入组串中工作，如果经过控制和处理之后电池仍然无法达到设定阈值标准时则，判定故障并永久旁路或系统报警；采用的主动均衡方式为，动态旁路重组方式；当充电过程中出现单体电池达到充电截止点时则旁路该节电池，其他电池组串继续充电，依次旁路到设置的一定数量时不再旁路，而是动态的选择组串中电压最低的4节电池进行小电流充电，直到所用电池都标记充满为止；
采用主动均衡方式，动态旁路重组方式；当放电过程中出现单体电池达到放电截止点时则旁路该节电池，其他组串继续放电，依次旁路到一定数量后，系统停止放电；最多能旁路数量需要参考项目的最小输入电压要求和功率要求，结合电池放电倍率限制因素设置；
在有些系统中也能以常备一部分电池冗余，当组串中单体故障时能以旁路故障电池，接入备份电池。
2.根据权利要求1所述的大功率主动均衡电池管理系统，其特征在于：电池管理系统具备的电池备份功能，能以在大规模储能项目中发挥优势，能以冗余部分电池当出现单体故障时动态重组替换故障电池，使系统能够继续稳定工作，待到系统维护时再更换掉故障电池；电池管理系统，与储能系统后台直接能以多种方式通信，接受串口通信、RS485通信、CAN通信、干节点方式；通信速率能达到ms级别，遇到突发故障时采用干节点传输保护指令，速度更快。
3.根据权利要求1所述的大功率主动均衡电池管理系统，其特征在于：串联方式集成的储能电池簇，由于没有并联电池所以管控的节点即是1节独立的电池，同一并中不会出现内部的环流，不会出现由于并联电池差异导致的互灌电流；当系统需要更多容量和功率时，能以由若干个这样的簇并联实现；并联的节点上有继电器和保险丝，确保每一个电池簇是能以从储能中受控的脱落出来的，据需要接入或退出。 说明书 : 一种大功率主动均衡电池管理系统技术领域[0001] 本发明涉及微网储能，锂电池智能化管理领域，特别涉及一种大功率主动均衡电池管理系统。背景技术[0002] 目前的电池管理系统主要实现方式为被动均衡，当电池电压达到一定的阈值后方能启动，均衡方式多以被动器件如电阻进行限流或放电方式来达到组串的电池平衡，一般均衡电流比较小，均衡效果有限。[0003] 也有部分电池管理系统也采用主动均衡，但采用的方式为采用备用均衡电源，需要组串充电截止后进行单点位的备用电源补电。这样的主动均衡时间比较长，而且预备的电源控制起来比较复杂且增加了额外的电路成本。大部分时间为备用单元，对电路的运行没有实在意义。[0004] 在大功率储能系统中由于容量配置较高电芯单体容量不足多，想增加电池管理系统的利用率，会存在电池并联后再串联的情况，使用的电池管理系统无法实现并联电池的区分管理。容易出现并联电芯之间的内短路风险，这样使用增加了系统安全风险。[0005] 目前电池管理系统实际上是硬链接方式，组串的形式在出厂的时候就已经确定无法更改，在电池运行信息采样过充中电芯的充电或放电具体状态不确定。测量的电压值不能做到开路精准测量。对于SOC估算和电池信息管理精度影响很大，一般SOC估算值不会高于10％。严重影响电池容量的判断，使用过充中很难依据SOC数据进行提前预判工作时间和功率。[0006] 系统成组过充中由于是硬链接，在链接到高压部分时很难安装。一般的大储能系统容量能以做到单系统2MW以上，电压一般能达到800V以上，在安装过充中级联电池节数增加后电压超过安全电压值后需要特殊的组装工具并且存在安全事故风险。[0007] 大储能系统中，安全保护措辞非常重要，目前还无法做到能控制形式的短路保护功能，只能使用熔断器做为物理极的保护。一旦出现短路故障，即使熔断器能靠熔断，对电池组的冲击也非常大。分段保护快速响应的保护机制是目前BMS电路不具备的，从安全、消防等多个方面的需求出发都需要提供电池储能的能靠性。[0008] 电池组串链接后在使用过充中由于电池单体的特性存在差异，即使出厂时电池组的一致性非常好达到A品电池的标准，在使用循环次数多以后内阻也会发生变化。这是系统就会出现短板，遵循木桶原则以内阻最大容量最低的单体为放电能力的截止标准。不能主动的旁路放空电池单体，系统最大能力无法发挥出来。发明内容[0009] 本发明的目的是为了解决上述问题，特提供了一种大功率主动均衡电池管理系统。[0010] 本发明提供了一种大功率主动均衡电池管理系统，其特征在于：采用单片机做为系统控制主芯片，集成自研软件程序灵活控制系统管理逻辑；基于电力电子器件MOSFET做为主功率回路开关，并且多一路旁路开关；模拟采样芯片采用模拟开关做为采样芯片；主控制芯片采用ARM核芯片，自带12位ADC和多路CAN，RS485串口通信；支持模数转换精度1％以上，32位处理器，72MHZ，能满足16串电池单体的电压、电流、温度、等数据信息的采集和管控；[0011] 主功率开关器件采用MOSFET，MOSFET为超级结开关，通流能力非常强，耐压80V以内，通流120A，导通阻抗2毫欧以内，采用多个同规格的MOSFET并联使用，增加通流能力，MOSFET的控制速度能以达到纳秒级别；电池类似于一个超大容量的电容，其充放电电压和电流不会发生阶跃，控制精度在毫秒极即能；[0012] 模拟采样前端能以采用现场的芯片完成，TI、NXP等厂家都有类似的模拟采样前端芯片，该类芯片价格相对比较高，在没有单片机的电池保护板系统中能直接使用其作为控制主体；[0013] 电池管理系统从成本方面考虑采用模拟开关做为前端采样芯片更合理，模拟开关与单片机之间进行串口通信以中断形式控制模拟开关开合，片选电池单体，轮巡电池电压状态。[0014] 电池管理系统，为单串系统，最多串联数量为16串，标称总电压为磷酸铁锂电池51.2V，三元电池59.2V，电流设计值为电芯1C标准；电池管理系统能进行系统间的级联，最多能级联64级；级联后的电池管理系统之家通信采用菊花链形式级联；最后与EMS链接，通信线路与各电池管理系统内部电路是隔离的；[0015] 电池管理系统总电压的采集方式为两种，一种是在16串电池组总正和总负之间的电压采样线经过除法器进行等比例缩减；第二种采样方式为各单体电池采样电压的加法计算；两种采样方式在芯片内部进行比较，如果偏差大于阈值则系统报错，如果偏差在阈值以内则取平均数。[0016] 电池管理系统总电流采样方式为分段采集，在每个电池管理系统内部集成一个直流霍尔采集，串联系统流经每个电池的电流相同，并且与总输出电流相同所以支路电流与总电流进行比较，如果存在较大偏差则能判断储能系统内部电流有分流或内短现象，总的储能系统电流为多个支路电流叠加。[0017] 电池管理系统集成3路温度监测探头，一路放置于电池极柱上，一路放置于电池组串安装的箱体内部空间，一路放置于电池组串中心点电池的金属壳体上；在高倍率充放电过程中，电芯会产生热量热量的分布点不同一般电池极柱的温度最高，电池壳体次之，最低是电池组串的环境温度；根据温度采样数据通过与EMS通信，配置充放电功率；电池组串由于电池自身特性，工作温度控制在0℃‑60℃范围内；[0018] 当电池组工作环境温度较低时配置充电电流应在0.5C以下，放电电流也同样控制在0.5C以下；当电池组串环境温度允许高倍率充放电工作时再配置1C以上倍率工作；具体配置比例能参考电池规格书具体配置，参数能由程序定义。[0019] 设置了“不满足条件退出制”控制逻辑，就是把电池的状态设置若干个模拟阈值区间，在该区间内时正常工作，当在该设定区间外时则判断进入下一个管控逻辑；当经过特殊控制和处理之后的电池达到设定阈值标准时再次接入组串中工作，如果经过特殊控制和处理之后电池仍然无法达到设定阈值标准时则，判定故障并永久旁路或系统报警。[0020] 采用的主动均衡方式为，动态旁路重组方式；当充电过程中出现单体电池达到充电截止点时则旁路该节电池，其他电池组串继续充电，依次旁路到设置的一定数量时不再旁路，而是动态的选择组串中电压最低的4节电池进行小电流充电，直到所用电池都标记充满为止；[0021] 采用的主动均衡方式，动态旁路重组方式；当放电过程中出现单体电池达到放电截止点时则旁路该节电池，其他组串继续放电，依次旁路到一定数量后，系统停止放电；最多能旁路数量需要参考项目的最小输入电压要求和功率要求，结合电池放电倍率限制因素设置；在有些特定的系统中也能以常备一部分电池冗余，当组串中单体故障时能以旁路故障电池，接入备份电池。[0022] 电池管理系统具备的电池备份功能，能以在大规模储能项目中发挥优势，能以冗余部分电池当出现单体故障时动态重组替换故障电池，使系统能够继续稳定工作，待到系统维护时再更换掉故障电池；电池管理系统，与储能系统后台直接能以多种方式通信，接受串口通信、RS485通信、CAN通信、干节点等方式；通信速率能达到ms级别，遇到突发故障时采用干节点传输保护指令，速度更快。[0023] 串联方式集成的储能电池簇，由于没有并联电池所以管控的节点即是1节独立的电池，同一并中不会出现内部的环流，不会出现由于并联电池差异导致的互灌电流；当系统需要更多容量和功率时，能以由若干个这样的簇并联实现；并联的节点上有继电器和保险丝，确保每一个电池簇是能以从储能中受控的脱落出来的，据需要接入或退出。[0024] 本发明的优点：[0025] 锂电池智能化管理领域，是专门给锂电池包括磷酸铁锂，三元锂电池的监控和保护使用。尤其属于大功率储能系统BMS管理器产品，电路内部具备单片机控制器，可以与储能系统中央控制器进行通信。附图说明[0026] 下面结合附图及实施方式对本发明作进一步详细的说明：[0027] 图1储能系统框架图；[0028] 图2电池管理系统BMS充电控制逻辑架构图；[0029] 图3电池管理系统功能方块图；[0030] 图4主动均衡硬件基础电路演示图；[0031] 图5电池管理系统BMS接线图；[0032] 图6电池管理系统BMS控制器MCU原理图。具体实施方式[0033] 实施例[0034] 为了使本发明的目的，和技术方案和特点能够更清晰的说明，以下结合附图和实例，进行进一步解释说明，特别说明此处所描述的具体实施案例仅用于解释本发明，并不限定本发明。[0035] 电池管理系统采用32位单片机，做为控制器，结合外部采样和功率变换电路组成，可对管控的电池进行电压、电流、温度等信息的采集和管控，受控于EMS中央控制器，对电池组串进行管理和保护。[0036] 电池管理系统可通过级联的方式组成高压储能电站系统，最多级联数量64级(BMS)。也可以单板使用做为两轮车、电动工具等产品的电池管理器使用，单板使用时在总负极端NC的功率管需要按照使用功率进行配置。[0037] 单板使用时当对外放电功率在1000W以内，电流在30A以内单颗MOSFET即可实现，如果要求功率较大时则可多个MOSFET并联使用，增加通流[0038] 电池管理系统集成3路NTC温度传感器，采样芯片MCP9700A。温度采样精度可以达到+/‑1℃，通过温度采样值，BMS可以设置放电限功率功能和过温保护告警阈值。[0039] 阈值设计，用NTC温度检测探头测量主功率器件表面温度，测电池极柱温度，测空间环境温度，做为过温保护和风机制冷的纯物理控制方法，设置风机工作温度点为40℃，过温保护启动点电池60℃。[0040] 输入输出电流检测选择足量程霍尔器件。通过与基准电压进行差值技术得出此刻电流值，正值定义为充电输入，负值定义为放电，霍尔采用分段量程器件增加其采样精度，目前电流采样精度可达1％以上。[0041] 电压检测采用差分放大器进行模拟采样。在BMS最低一串的负极和最高一串的正极通过差分变换后输入给MCU的ADC转换器。另外通过模拟开关得到的各节电池电压叠加后也可起到校准的作用。电池组电压采样精度可实现0.5％以上。[0042] 电池管理系统，设计多种保护电路。系统安全运行的保护电路，保护功率器件安全和系统稳定运行。过压保护，充、放电过程中总电压高于60V则报警并停止输出；过温度保护，电池组内部温度超过60℃则报警并停止输出；过电流保护，输出过流值设置为额定最大值的125％。系统处于过流状态后立即报警，并持续工作1分钟过流仍不消失则系统停止输出，如过流状态1分钟内消失则系统停止报警继续工作；短路保护，输出短路保护设置值为额定最大值的150％。一旦系统输出电流超过短路保护值，则系统报警同时迅速停止输出，要求响应时间小于100nS；输出欠压保护，当直流母线电压低于电芯组最低放电点电压时系统告警并停止输出。[0043] 系统的输出均流设置应该考虑两个方面，一个是电池单元自身的阻抗差异，再一个是电池单元间的电压差异。需要做两套驱动电路，①当并联的电池单元输出电流差异不大(暂定10％)且不大于额定输出值时不启动PWM控制器，由FPGA驱动放电MOSFET长开，不均流放电。此时PWM控制器处于SHUTDOWN状态。②当检测到输出不均流较严重时触发均衡控制电路同时拉低长开高电平信号。单元进入均流输出状态。[0044] 风机选择48V电压等级，根据效率换算出热损耗选择风机的功率和排风量。预设2个风机一拉一推形式进行散热。驱动方式采样定阻限流方式，避免风机磁饱和；风机设置为电池温度超过40℃后启动，温度低于25℃时停止工作。[0045] 在设计过程中加入安规考虑，要求系统可以通过EMI和EMS的测试；在对外通信接口处加防雷击的TVS和防静电的ESD。板卡与被管理的电池组就近安装，信号线采用双绞线形式链接。[0046] 防反接之后的电池组输出+极上应该串联足够功率的二极管，做为防反接用。主回路上要串联一个慢融断型保险丝，选值要在过流保护值(125％)以上并接近短路保护值(150％)。做为物理保护主要作用是OCP失效时防止引起火灾。[0047] 防共通电路，电池组串在工作过程中主回路的开关与旁路开关不可以同时导通，为了防止电池充放电开关与旁路开关同时导通造成电芯短路的故障，需要加防共通电路。可做或门控制或者用高低电平的反逻辑方式来实现。电池充放电开关(主开关)打开则旁路开关一定打不开。[0048] BQ24735充电电路做为电池单元的动态均衡充电使用，最多可同时给4节串联电池组进行充电，其输出电压最高为19V(可设置)，输出充电电流值可由控制器配置(最大电流为8A)。[0049] 本发明所选用的电力电子器件都为常规器件，价格和采购都比较有优势，模拟开关、单片机、MOSFET等核心器件均可实现国产化，根据不同的使用环境可做多种规格和功能调整[0050] 本发明的电池管理器系统简称BMS，对外接口设置有+、‑、POWER驱动x16、BYPASS驱动x16、串口、电池电压采样排线等，一个BMS管控电池数量最多为16节，该发明中16节电池必须为串联结构。可管理的数量可选择4‑16节，在最大管控能力范围内选择。对电池监测排线端子为插接到电路板上方，另一头需要与电池链接的端子为O型冷压端子，通过焊锡与导线末端焊接好，并按照要采用的电池位置做好线号。[0051] 本发明的电池管理系统制板后，由于功率器件采用双面布置的方式，所以板卡应采用两块铝材质的板卡挤压固定，一方面起加固防撞击防触电，另一方面可以起到贴敷散热的作用，要求MOSFET管与铝板之间涂导热硅胶片后用螺栓压紧。该BMS在大功率运行时表面铝壳会传导热量，不可以贴敷在电池外壳上安装。[0052] 该发明的主动均衡电路，采用大量的半导体器件作为控制开关，可动态重组电池排列方式，将故障电池旁路出主回路。在不影响系统正常工作的前提下持续运行，动态补偿。在充电过程中将电池自身容量的偏差就行修补，轮巡电池组串中单体电池电压，选出最低的4节电池补偿充电。直到轮巡选择最低的1节电池进行补偿充电，直到充满为止。[0053] 动态补偿是一种控制逻辑，不管是在充电过程中还是在放电过程中对于超出预设值范围的电池都会快速的旁路补偿或标记。[0054] 本发明的电池管理系统，在组装生产环节不必考虑高压作业风险，因为在系统没有上电之前，控制级的驱动没有输出，此时MOSFET处于关闭状态，系统中的电池之间是通过MOSFET隔离开的没有形成连路，不具有电气性能。只有当系统启动后执行充电或放电命令，连路中的MOSFET打开后系统电压才建立。[0055] 本发明的电池管理系统，对应管控的电池电压范围要求不严苛，基本可以兼容目前市场长的全部电池产品如，铅酸、磷酸铁锂、三元锂等都可以使用，更大的优点是可以运用到梯次电池。由于梯次电池的一致性很难保证，木桶效应更突出，而本发明具备主动旁路和均衡功能可以最大化发挥电池个体的能力。[0056] 主动均衡功率等级最大可以达到主串100A，旁路精细均衡10A的量级是其他主动均衡BMS所无法达到的能量标准。而且也不用额外增加备用电源设备。[0057] 系统主控制器，具备在线升级功能，可以在不停机情况下通过串口下载更新控制程序，可通过超级终端在线下载更新。[0058] 本发明专利不具体定义BMS的型号和功率等级，只说明该发明的一般性办法和技术特点，凡是采用本发明专利主动均衡带旁路功能的电池管理系统使用方式的都在本专利保护范围之内。BMS，为大功率主动均衡电池管理系统的英文缩写。

专利地区：辽宁

专利申请日期：2021-08-23

专利公开日期：2024-10-22

专利公告号：CN113922438B