鋰離子電池管理系統(tǒng)的應(yīng)用

鋰離子電池管理系統(tǒng)的應(yīng)用

隨著能源和新能源規(guī)模的擴大，智能能源網(wǎng)絡(luò)的能源存儲和傳輸也將成為能源系統(tǒng)優(yōu)化的趨勢。儲能系統(tǒng)對電池性能的要求是大容量、長壽命、快速響應(yīng)、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大規(guī)模儲能的要求,已經(jīng)成為大容量儲能研究的重點。國內(nèi)外已經(jīng)開始了大容量鋰離子電池儲能系統(tǒng)的研制和示范工程。由于鋰離子電池具有明顯的非線性、不一致性和時變特性,使其在長期充放電過程中由于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,容易造成成組電池之間的離散性加大,性能衰減加劇,嚴重的情況甚至?xí)l(fā)生威脅安全的嚴重后果。如果不對鋰離子電池進行有效的管理,電池組的性能將會迅速衰減,最終導(dǎo)致大規(guī)模電池組壽命沒有保證。因此,根據(jù)鋰離子電池特性,需要對鋰離子電池進行有效管理,以保證電池的安全和可控運行,這對于維護電池安全、保持電池性能、延長電池壽命都具有重要的意義。目前國內(nèi)外電池管理系統(tǒng)主要集中在電動汽車的動力電池上,對于儲能用鋰離子電池管理系統(tǒng)的研究還比較少,而且大都集中在某一個特性上,對于整個儲能系統(tǒng)的電池管理研究幾乎還都處在探索階段。本研究是基于儲能示范工程而開展的,對于整個行業(yè)具有很大的參考意義。該文主要介紹了儲能用鋰離子電池管理系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)特點,同時詳述了管理系統(tǒng)中每個結(jié)構(gòu)的主要功能,然后論述了電池管理系統(tǒng)的主要功能,重點介紹了電池管理系統(tǒng)的數(shù)據(jù)檢測、電池狀態(tài)估計和電池均衡功能,并對電池估計狀態(tài)功能進行了仿真計算,最后對儲能用鋰離子電池管理系統(tǒng)的研究方法進行了總結(jié),并對電池管理系統(tǒng)的下一步研究方向提出了合理的建議。1電池管理系統(tǒng)及mbmi的結(jié)構(gòu)框圖不同于鋰離子電池的其他應(yīng)用場合,儲能用鋰離子電池所需數(shù)量巨大,通常是成千上萬節(jié)單體電池,通過串并聯(lián)的形式組成電池系統(tǒng)來滿足多種功能,因此,對于儲能用鋰離子電池管理系統(tǒng)有別于其他場合。儲能系統(tǒng)的基本拓撲結(jié)構(gòu)如圖1所示。儲能用鋰離子電池的應(yīng)用場合不如電動汽車惡劣,其工況也不是特別復(fù)雜,大都處于淺充淺放狀態(tài),但出于體積、安全和有利于維護的考慮,電池組一般也是分成幾個串并聯(lián)的模塊進行安裝。將單體電池經(jīng)過串并聯(lián)組成一個電池箱,每個電池箱配有一個電池監(jiān)控單元(Cellsupervisioncircuit,CSC),幾個CSC組成一個子電池系統(tǒng)管理單元(Slavebatterymanagementunit,SBMU),根據(jù)儲能容量的需要,再由適當(dāng)數(shù)量的SBMU組成一個主電池系統(tǒng)管理單元(Masterbatterymanagementunit,MBMU),并配備就地監(jiān)控系統(tǒng)、高壓檢測和絕緣監(jiān)測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)(Batterymanagementsystem,BMS)。BMS的結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。其中CSC對電池箱的電壓和溫度進行檢測,經(jīng)過處理后將其傳輸給SBMU,同時對電池箱內(nèi)的電池進行均衡管理;CSC還要根據(jù)電池箱內(nèi)的溫度,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,開啟風(fēng)機,對本箱電池進行熱管理,直到電池工作溫度和溫差恢復(fù)到設(shè)計范圍。SBMU接收CSC傳來的數(shù)據(jù)信息,并檢測這些電池箱組成了的電池子系統(tǒng)的總電流、總電壓和絕緣度,根據(jù)采集的電池數(shù)據(jù)估計電池組的荷電狀態(tài)(Stateofcharge,SOC)、健康狀況(Stateofhealth,SOH)等,對電池組充放電的進行保護;同時判斷電池組的故障狀態(tài),并實時上報給就地監(jiān)控系統(tǒng),完成與就地監(jiān)控系統(tǒng)的通信。圖3和圖4分別是CSC和SBMU的結(jié)構(gòu)框圖。根據(jù)儲能需要,若干個SBMU組成一個MBMU來對整個儲能電池系統(tǒng)的電池進行管理,其中電壓和絕緣檢測模塊是對整個電池系統(tǒng)的總電壓、絕緣狀態(tài)進行檢測,MBMU是對整個電池系統(tǒng)的電池狀態(tài)進行匯總和處理,得到本系統(tǒng)的SOC、故障類型及等級、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),進行通訊、管理和控制。為了提高系統(tǒng)可靠性和及時性,MBMU和雙向變流器之間除了CAN總線以外,還可增加了保護干接點,在CAN總線保護失效的基礎(chǔ)上,可通過輸出干接點信號至雙向變流器,致使變流器停機,實現(xiàn)變流器與電池之間的物理斷開?？紤]到MBMU傳送到變流器的數(shù)據(jù)主要用于控制,實時性強,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;而為了實現(xiàn)電池運行過程狀態(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,現(xiàn)在通常是通過104TCP/IP協(xié)議來完成。內(nèi)部通訊指BMS中各個模塊之間的通訊,一般選用可靠性高抗干擾能力強的CAN總線形式。由于儲能系統(tǒng)中所用的鋰離子電池的外部特性(如電壓、電流)在系統(tǒng)運行過程中根據(jù)需求會發(fā)生很大的變化,這對BMS提出了極強的實時性要求,同時也要求BMS具有多任務(wù)運行的能力,因此也就對BMS的軟件設(shè)計提出了實時性和多任務(wù)調(diào)度的要求。依據(jù)儲能系統(tǒng)的需求,BMS的軟件設(shè)計可劃分成如下幾個任務(wù):啟動任務(wù),總電壓采集任務(wù),總電流采集任務(wù),溫度采集任務(wù),絕緣檢測任務(wù),SOC估計任務(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),多級報警任務(wù)和空閑任務(wù)等。2電池管理系統(tǒng)功能儲能用鋰離子電池管理系統(tǒng)包含有多個功能模塊,一般為數(shù)據(jù)檢測功能、統(tǒng)計存儲功能、運行參數(shù)設(shè)定功能、充放電管理功能、通信功能、報警功能、電池系統(tǒng)保護、電池系統(tǒng)容量標(biāo)定及SOC估計功能、熱管理功能、電池均衡管理功能、高壓管理功能、絕緣檢測功能等。其中,單體電池數(shù)據(jù)檢測、電池狀態(tài)估計功能和均衡管理功能是目前電池管理系統(tǒng)研究的熱點,本文主要就這3方面的實現(xiàn)策略進行討論。2.1單體電池過充過放的檢測由于儲能用電池系統(tǒng)通常是由上千(萬)個單體電池串并聯(lián)組成,所以,每一個單體電池的工作狀態(tài)正常與否,不僅反映電池組性能的好壞,而且影響電池組的容量及剩余能量,進而影響整個儲能系統(tǒng)的效率。在儲能系統(tǒng)運行過程中,如不及時對單體電池進行檢測,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,必將影響整個電池儲能系統(tǒng)的高效安全運行。單體電池工作數(shù)據(jù)的檢測主要是電壓和溫度兩個方面,由BMS中的CSC完成,BMS的其他功能(包括SOC估計、剩余能量的計算等)都是建立對單體電池工作狀態(tài)進行精確檢測的基礎(chǔ)之上的。在這兩個參數(shù)中,溫度是BMS對電池的熱管理和安全保護功能的依據(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候,開啟風(fēng)機,對本箱電池進行熱管理,直到電池工作溫度和溫差恢復(fù)到設(shè)計范圍。單體電池的電壓不但是電池的優(yōu)劣狀況的最好體現(xiàn),也是初步估計電池的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,單體電池電壓檢測的難點主要有兩點:1)儲能系統(tǒng)中的電池系統(tǒng)是有很多個單體電池串并聯(lián)組成的,因此需要很多通道來完成單體電池的電壓檢測。當(dāng)進行電壓測量時會產(chǎn)生累積電動勢,同時每個單體電池的累積電動勢都不相同,并且沒有一個統(tǒng)一的辦法來消除這種累積電動勢,這就給電池檢測電路的設(shè)計帶來一定的困難。2)單體電池的測量精度要求很高,這是因為SOC的估計和其他電池狀態(tài)的估計都要求單體電池的電壓測量有很高的測量精度。以磷酸鐵鋰電池為例,如圖5所示,因為磷酸鐵鋰電池的開路電壓曲線OCV(OpenCircuitVoltage)比較平緩,相對應(yīng)于單體電池電壓每1mV的變化,其SOC估計誤差最大可以達到4%。因此單體電池的電壓測量需要很高的精度,至少要達到1mV。但由于技術(shù)和成本的原因,目前大多數(shù)的BMS的單體電池電壓的測量精度都達不到這個要求。本文所論述的單體電池數(shù)據(jù)檢測方案采用了比較成熟的凌特公司電池監(jiān)測芯片LTC6804,該芯片最多可測12個串聯(lián)鋰離子電池的電壓,可堆疊式架構(gòu)實現(xiàn)高電壓電池組的監(jiān)測,每個電池輸入均具有一個相關(guān)聯(lián)的MOSFET開關(guān),用于對任何過充電池進行放電(100mA)。每個LTC6804U具有一個可單獨尋址的串行接口,因為允許把多個LTC6804聯(lián)接到一個控制處理器上實現(xiàn)同時運作。圖6利用LTC6804進行單體電池數(shù)據(jù)檢測的原理電路圖。利用這種監(jiān)測芯片,本文介紹的儲能用鋰離子電池管理系統(tǒng)的檢測精度,電壓為2mV,溫度為0.5℃,可以滿足目前的實際需要。2.2電池管理系統(tǒng)的soc估算鋰離子電池組的SOC是電池電量的直接反映,是鋰離子電池組最主要的狀態(tài)參數(shù),它一方面提供了實際儲能系統(tǒng)的當(dāng)前存儲(剩余)能量的重要信息,另一方面為鋰離子電池的使用、管理和維護提供重要依據(jù),因為電池的過充和過放都會導(dǎo)致電池壽命的下降,甚至?xí)斐呻姵氐娜紵捅?造成嚴重的后果。因此,嚴格監(jiān)控儲能電池組的SOC是儲能用鋰離子電池管理系統(tǒng)的一項非常重要的任務(wù)。在過去的研究中,學(xué)者們提出了許多種經(jīng)典的估計剩余電量或SOC的方法,每種方法都有各自的適用范圍?？紤]鋰離子電池的放電特性,目前研究和采用較多的SOC估計方法主要有:安時積分法、開路電壓法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法和卡爾曼濾波法等。這些方法各有優(yōu)缺點,也都有各自的應(yīng)用領(lǐng)域,具體的特性比較見表1。該文認真總結(jié)了以上幾種SOC估算方法的優(yōu)缺點,將安時積分法與其它方法結(jié)合,采用改進的安時積分法,依靠高精度的模擬量采集和大容量歷史數(shù)據(jù)存儲等功能,同時考慮溫度、充放電效率、自放電、SOH等對電池容量的影響,參考當(dāng)前OVC電壓和歷史負載電壓曲線,結(jié)合外特性試驗建立的數(shù)值模型設(shè)定SOC估算策略,對鋰離子電池的SOC進行估算。安時積分法也叫電荷累積法(Coulombcountingmethod),它是將電池看作一個黑箱,認為流進電池的電量與流出電池的電量相等,它不考慮電池內(nèi)部的結(jié)構(gòu)和外部的電氣特性,因此這種方法可以用于各種電池。在電流測量準(zhǔn)確,溫度、放電倍率等因素補償良好,初始SOC估計準(zhǔn)確的條件下,安時法在短時間內(nèi)可以保證SOC估計的準(zhǔn)確,是一種簡單可靠的方法。假設(shè)電池的充放電起始狀態(tài)為,那么電池當(dāng)前狀態(tài)的SOC一般表示為:式中,SOC0為SOC初始狀態(tài)值;CN為額定容量;I為電池電流;η為充放電效率,不是常數(shù)。但在實際應(yīng)用中,采用安時積分法,得出某時刻的SOC值算法為:式中,SOCt是t時刻的SOC值;I是系統(tǒng)采集到的當(dāng)前時刻電流值;CN是電池的額定容量。在實際計算中,還要同時考慮溫度、放電倍率和電池壽命等因素對SOC的影響。本文所研究的電池管理系統(tǒng)針對儲能中的某3并16串的磷酸鐵鋰電池箱進行了電池SOC估算技術(shù)的檢測,下面是按照恒流充電測試和脈沖充放電測試得到的測試數(shù)據(jù)和結(jié)果分析。圖7是在以恒流100A連續(xù)充電方式下SOC計算值曲線圖。圖7中,SOC為電池管理系統(tǒng)計算得到的SOC值,I為電池管理系統(tǒng)的檢測電流,V為電池箱端電壓,SOC_Ah為通過充放電設(shè)備的輸出Ah累積所得到的理論SOC。在充電開始前,以固定100A放電電流對電池箱放電到截止條件后靜置30min,啟動系統(tǒng)得到此時的SOC計算值為3.2%。以恒定100A的電流對電池組充電,整個充電過程持續(xù)3小時28分39秒,充放電設(shè)備輸出總Ah數(shù)為348.5Ah。表2為充放電設(shè)備輸出不同Ah數(shù)時所對應(yīng)的SOC估算值。在充電完畢后,靜置電池組16h后,測量電池組總電壓為53.44V,平均單節(jié)電池電壓3.34V,通過查表可以得出此時的SOC等于95%。因此在一個充電循環(huán)結(jié)束后SOC的計算誤差為:圖8是以0.3C進行分段充電的SOC曲線圖。在這個充電過程中,SOC為電池管理系統(tǒng)的計算值,每一次充電結(jié)束的依據(jù)是充放電設(shè)備輸出的安時數(shù)達到36Ah,由于第一次充電時初始SOC為4.6%,因此第一次充電時輸出的安時數(shù)為19.44Ah,最后一次由于達到充電截止條件,因此充放電設(shè)備輸出的安時數(shù)為30.71Ah。本次測試中計算SOC與安時數(shù)的對應(yīng)關(guān)系如表3所示。從表3中可以看出,當(dāng)輸入36Ah的能量時,SOC的增量平均為9.35%。其他能量以其他形式損失。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際系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型,從而提高系統(tǒng)的計算精度。通過上面兩個實驗的測試結(jié)果可以看出,在連續(xù)充電模式下,SOC的計算值與實際SOC的誤差為+2.2%,滿足實際需求的SOC估算精度指標(biāo)。在分段充電模式下,在每個SOC平臺階段的計算值都低于實際輸入的安時數(shù),這符合電池的充電特性,即輸入的安時數(shù)一部分以能量形式存儲,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,實際的SOC會低于按照安時法計算得出的SOC5%左右,也滿足實際應(yīng)用的需求。2.3電池均衡管理由于鋰離子電池具有明顯的非線性、不一致性和時變特性,因此在應(yīng)用時需要進行一定的管理。另外鋰電池對充放電的要求很高,當(dāng)出現(xiàn)過充電、過放電、放電電流過大或電路短路時,會使鋰電池溫度上升,導(dǎo)致電池壽命縮短。當(dāng)鋰電池串聯(lián)使用于動力設(shè)備中時,由于各單節(jié)鋰電池內(nèi)部特性的不一致,會導(dǎo)致各節(jié)鋰電池充、放電的不一致。一節(jié)性能惡化時,整個電池組的行為特征都會受到此電池的限制,降低整體電池組性能。為使鋰電池組能夠最大程度地發(fā)揮其優(yōu)越性能,延長使用壽命,必須要對鋰電池在充、放電時進行實時監(jiān)控,提供過壓、過流、溫度保護和電池間能量均衡。鋰離子電池各個參數(shù)在生產(chǎn)過程中無法控制到完全一致,不可避免地存在一些微小的差異,隨著鋰離子電池在實際使用中充放電次數(shù)的增多,加上內(nèi)阻、自放電等因素的影響,這些差異將被放大,嚴重破壞鋰離子電池性能,造成鋰離子電池壽命衰減甚至帶來安全隱患。為使鋰電池組能夠最大程度地發(fā)揮其優(yōu)越性能,延長使用壽命,必須要在BMS中對鋰電池在充、放電時進行實時監(jiān)控,提供過壓、過流、溫度保護和電池間能量均衡,對電池間的不一致性進行均衡處理,能夠削平電池間的差異,使電池保持較好的一致性,達到延長電池壽命降低成本的目的。目前儲能用鋰離子電池均衡管理的方法主要有被動均衡、主動均衡和兩種均衡相結(jié)合的3種方式。被動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單、最經(jīng)濟的,也是目前應(yīng)用最廣的。但其缺點也很明顯,它只能作充電均衡,而且,在充電均衡過程中,多余的能量要作為熱量釋放掉,會造成整個系統(tǒng)效率低下,功耗提高。所以為了防止均衡過程中電池過熱,被動均衡的電流一般都很小,目前大約是幾十毫安。主動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,而是利用一種主動往復(fù)充電的元件,將電量從一個電池單元轉(zhuǎn)到另一個上,從而實現(xiàn)鋰電池組的均衡充放電的方法。這種方法因為是外接電子元件,所以相對均衡電流比較大,目前可做到幾安。但這種方法因為技術(shù)還不成熟,需要設(shè)計專門的電路來實現(xiàn),因而會增加成本,降低可靠性,所以還需要進一步的研究。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,將主動均衡和被動均衡結(jié)合起來使用,以電池工作電壓一致作為均衡目標(biāo),通過平均值計算,達到均衡目的。這種策略是采用高壓雙向DC/DC電路模塊和公共的內(nèi)部12V電源總線,