基于電池容量動態調節技術的儲能電池管理系統

石雪倩 湯睿 瞿仕波 歐陽飆

（1.湘投云儲科技有限公司 湖南省長沙市 410205 2.長沙智能駕駛研究院 湖南省長沙市 410205）

1 引言

隨著全球電化學儲能市場快速發展，從促進可再生能源消納到進行電網側的調頻調峰，再到新能源汽車動力電池的應用，儲能以迅猛的發展速度不斷擴大市場份額。隨著市場的推廣與發展，投資回報率成為制約儲能大規模推廣的瓶頸之一。電池在儲能系統中成本占比高達75%～80%，為保證投資回報率，儲能系統投資者在招標時均對儲能系統電池可用容量制定了嚴格要求，儲能系統生產商為達到招標要求，在系統設計時需保留1.2～1.3 倍的設計冗余，以保證全生命周期電池可用容量符合要求，這也導致系統度電成本增加，利潤率降低[1]。如何最大限度的提高電池可用容量成為各大電池廠商、電池管理系統廠商以及系統集成廠商研究的重要課題。

2 研究現狀

導致電池系統可用容量衰減的主要原因是電池的不一致性，一致性差異會降低電池組的可用容量，并縮短電池組的循環壽命。電池管理系統在電池運行的過程中均設有保護機制，在某一節電池單體電壓達到最高或者最低時便停止充放電操作，達到保護電池及系統安全的目的[2]。隨著系統的運行，單體電池的先天差異、溫度的影響、內阻的不一致、連接方式的影響等因素導致電池間不一致性越來越大，由此帶來的“短板效應”導致系統電池組可用容量越來越低。

近年來各方均投入了大量的精力研究如何提高電池可用容量，主要的研究成果可歸納為以下幾類[3]：

（1）優化電池成組時的不一致性。通過優化鋰離子電池生產工藝、基于動態特性曲線配組法的分選制度等方式降低初始狀態的不一致性。

（2）優化電池成組方式帶來的不一致性。通過改變電池的串并聯方式以及電池的連接方式，最大限度的避免電池的不一致性。

（3）優化電池運行過程中的不一致性。通過各種主動均衡或被動均衡的方式，對與其他單體差異大的單體電池進行單獨補電或被動放電，使其與其他單體盡量保持一致。

3 系統架構設計

本文提出一種動態提高儲能系統可用容量的電池管理系統，在儲能系統運行的過程中通過軟件控制策略調整電池成組方式，在系統充放電末端根據電池狀態參數循環判斷出當前瞬態下的“短板”電池，而后切出“短板”保證剩余電池繼續充放，從而延長系統充放電時間，使系統“充的更滿、放的更多”，在保證安全的基礎上最大限度的挖掘電池潛能，從而提高系統的可用容量。該電池管理系統整體上分為邏輯分析層、信息采集層以及動作執行層。在傳統電池管理系統的基礎上增加了電池組切入切出單元以及相應的控制電路，并在邏輯分析層增加相應的軟件模塊（邏輯分析判斷模塊）。系統整體架構如圖1 所示。

動作執行層連接于兩個電池單體或兩個電池模組之間，根據主控模塊的指令進行電池單體或模組的選擇，并對該電池單體或模組進行切入切出操作。該部分的電路可以由一切具有開關功能的器件組成，如具有開關作用可軟件控制的MOSFET、繼電器等[4][5]。通過該部分電路可以將對應的電池組切出系統而不影響剩余電池組正常運行。

圖1：系統整體架構示意圖

圖2：控制策略流程簡圖

信息采集層實時采集并實時上傳單體電壓信息、溫度信息、內阻信息等相關信息給邏輯分析層，以便通過邏輯分析層中的邏輯分析判斷模塊在充放電末端時對電池參數信息進行數據分析，從而判斷出哪節單體為當前瞬態下的“短板”。信息采集層的硬件電路部分多采用專用電池管理芯片進行設計，目前市面上有多種成熟方案如LTC6811、LAPIS5238、MAX14921，亦或通過分立器件進行采樣電路設計均為可行方案。在傳統電池管理系統的基礎上，信息采集層增加了切入切出模塊的控制電路如MOSFET 驅動電路、繼電器前級驅動電路等，用于根據邏輯分析層的指令驅動相應切入切出單元執行相應動作。

圖3：充放電量對比圖

邏輯分析層可設計于二層或三層架構的最上層進行，該部分通過主控芯片對信息采集層上傳的數據進行分析處理，結合系統運行狀態做出邏輯判斷，并根據“短板”電池的定位選擇切入切出控制模塊的位置并控制模塊進行切入切出操作。該部分的硬件電路核心為主控芯片，市面上常用的主芯片有STM32 系列，FreeScale MC系列等。除此之外還應具有傳統電池管理系統應有的功能單元，如總電壓采集、總電流采集、數據的存儲、各種通信電路等，因傳統電池管理系統已有非常成熟方案，在此不再贅述。

4 控制策略設計

本文主要論述邏輯分析模塊的軟件邏輯，信息采集層采集電池單體的基礎信息后通過CAN 通信上傳至邏輯分析層，邏輯分析層對下屬所有信息采集層的信息進行匯總處理，并對電池電壓進行排序得到最大值及其電池編號、最小值及其電池編號。根據目前系統所處的狀態以及保護閾值的對比，判斷是否有電池模組需要切出，并下發控制指令執行相應動作。此過程按照一定頻率（如100ms）循環進行，逐一切出短板電池直至總電壓下限，其余電池繼續完成充放從而延長了系統充放時間，使系統充的更滿放的更空。該部分流程圖如圖2 所示。

5 測試與結論

選用國軒3.2V200Ah 單體電芯組成12S1P 的電池模組，12 個電池模組組成144S1P 的電池系統進行測試。為模擬電池不一致場景，其中一個模組插入一個150Ah 的單體作為系統“短板”，系統理論容量為92Kwh，設定電池單體滿電電壓為3.55V，無電電壓為2.7V，充電電流設置為xxA，放電電流設置為xxA。具體測試過程如下：

（1）使用傳統電池管理系統從滿電放電到無電，記錄SOC 數值及放電量；從無電充電到滿電，記錄SOC 數值及充電量。

（2）使用基于電池容量動態調節技術的儲能電池管理系統從滿電放電到無電，記錄SOC 數值及放電量；從無電充電到滿電，記錄SOC 數值及充電量。

SOC 數值每分鐘記錄一次，為減小誤差干擾，測試均進行3 次并取平均值，測試結果如圖3 所示。

經過測試得知：

（1）傳統BMS 在充電狀態下，充電量為61.37Kwh，電池SOC 達到66.7%；改進后的BMS 充電量為92.96kwh，電池SOC達到99.8%。

（2）傳統BMS 在放電狀態下，放電量為60.23Kwh，電池SOC 放電至34.5%；改進后的BMS 放電量為91.89kwh，SOC 放電至0.1%。

（3）從以上對比測試數據可看出，本文提出的電池管理系統由于具備在充放電末端切出電池的能力，使得系統中單個電池的“短板效應”不會影響到整個系統，從而大幅提高了系統可用電量，在單體差異較大時效果尤其明顯。