儲能電池分級管理及控制系統(tǒng)

王培侖

【摘 要】本文中，作者提出一種儲能電池分級管理及控制系統(tǒng)，將儲能電池的管理分為三個層次，各層級中的控制模塊分工協(xié)作，在各自的層級完成管理分配的工作，形成完整的儲能電池控制系統(tǒng)。

【關(guān)鍵詞】鋰電池;儲能系統(tǒng);電池管理;主控模塊;總控模塊

1 引言

隨著國家對新能源開發(fā)利用的力度不斷加大，分布式發(fā)電技術(shù)及微電網(wǎng)也得到了快速發(fā)展，為了應對新能源波動大，供電不穩(wěn)定的問題，進一步提高電力系統(tǒng)運行可靠性，大容量的儲能技術(shù)顯得日益重要。

大容量的儲能系統(tǒng)在實際應用過程中，要做到系統(tǒng)能夠安全、高效運行，并盡可能延長電池使用壽命，就要求對儲能電池系統(tǒng)及系統(tǒng)中的每一節(jié)儲能電池進行全方位、多角度、全生命周期的管理及控制[1-2]，隨著儲能系統(tǒng)容量不斷變大，其電池串并聯(lián)數(shù)量也在大幅增加，系統(tǒng)中需要檢測及控制的變量也越來越多，傳統(tǒng)的電池管理系統(tǒng)無法滿足大容量儲能系統(tǒng)的管理需求[3-4]。

本文為了解決上述問題，提出一種儲能電池分級管理及控制系統(tǒng)，將儲能電池的管理分為三個層次，各層級中的控制模塊分工協(xié)作，在各自的層級完成管理分配的工作，形成完整的儲能電池控制系統(tǒng)。

2 系統(tǒng)設(shè)計

本文設(shè)計的儲能電池分級及控制系統(tǒng)將儲能電池分為多個電池簇并聯(lián)到直流總線中，每個電池簇由若干節(jié)電池單體串聯(lián)組成，滿足系統(tǒng)電壓輸出要求，由此，每個電池簇可作為一個獨立的子系統(tǒng)使用，在某一簇出現(xiàn)問題時及時切斷該簇，使得故障電池簇不影響整個電池系統(tǒng)的使用。對某一簇電池的管理還可根據(jù)該簇串聯(lián)電池的數(shù)量分為多個電池模塊，每個電池模塊包括若干個電池單體，對電池模塊分別管理可減輕每個管理單元的工作量，同時提高管理單元對系統(tǒng)故障的響應時間，對出現(xiàn)的電池故障做出快速處理。

儲能電池管理系統(tǒng)從下到上分為從控->主控->總控三級管理單元。分別對應電池系統(tǒng)中的電池單體、電池模塊及電池簇，該系統(tǒng)對電池進行實時監(jiān)控、安全管理、故障報警和應急保護處理，對電池模塊、電池簇和電池系統(tǒng)的運行進行安全和優(yōu)化控制，可保證電池安全、可靠、穩(wěn)定運行。

2.1 從控單元

從控單元主要包括MCU、電池電壓采集模塊、電池溫度采集模塊，均衡模塊，熱管理模塊及通信模塊;MCU作為單元總控制器通過電壓檢測模塊實時監(jiān)測儲能電池單體電壓，并根據(jù)采集到的電壓信息通過主動均衡模塊對電池進行均衡;通過溫度檢測模塊采集電池溫度，并根據(jù)溫度高低通過熱管理模塊對電池進行加熱及散熱控制;通過CAN通信模塊與主控進行通信，實時上傳電池電壓、溫度信息及電池報警信息。

電壓檢測模塊由兩組LTC6804芯片組成，每個芯片可采集12串單體電壓信息，模塊最大可實現(xiàn)24串電池單體的信息采集。

為了應對組內(nèi)電池電壓不均衡造成的容量木桶效應，從控單元均衡模塊采用主動均衡技術(shù)對組內(nèi)電池進行均衡，將高電壓單體電池電量轉(zhuǎn)移到低電壓單體電池，以此保證電池電壓一致性，增大電池容量。

溫度檢測模塊根據(jù)檢測到的溫度判斷電池單體內(nèi)部溫度是否適宜電池工作，若內(nèi)部溫度高于上限設(shè)定值則啟動風扇，若內(nèi)部溫度低于下限設(shè)定值則啟動加熱模塊，模塊的熱管理通過開出回路驅(qū)動繼電器實現(xiàn)。

從控單元與主控單元采用CAN總線連接，各從控單元根據(jù)主控單元召喚信息上傳各自電池電壓及溫度信息，溫度及電壓超限值采用主動上傳方式，如此在出現(xiàn)故障時可及時對故障進行上傳并處理。

2.2 主控單元

主控單元負責管理一簇電池上的若干個從控單元，通過下發(fā)召喚命令方式獲取本簇電池單體信息并接收從控單元主動上傳的報警信息;通過電流檢測模塊計算本簇電池組的充放電電流，以此計算電池組剩余電量（SOC）;通過可控開關(guān)控制電池簇在直流總線上的投切，當檢測到電池充滿后，斷開與總線連接，當檢測到電量不足時，閉合開關(guān)進行補電，同時快速響應總控模塊下發(fā)的用電要求，及時閉合開關(guān)向總線上設(shè)備供電;主控單元還可根據(jù)從控上傳報警信息及時斷開控制開關(guān)，可在某一電池簇出現(xiàn)故障時實現(xiàn)該簇與直流總線的隔離，確保系統(tǒng)可靠性及安全性。

2.3 總控單元

總控單元負責管理多個主控單元，總控單元具備就地顯示功能，可通過觸屏顯示系統(tǒng)中全部單體電池信息，并完成對電池模塊、電池簇和電池系統(tǒng)的運行進行安全和優(yōu)化控制，保證電池安全、可靠、穩(wěn)定運行;同時通過觸屏還可實現(xiàn)參數(shù)的配置功能，不僅可以修改單元自身參數(shù)，還可通過CAN總線以下發(fā)命令形式實現(xiàn)對主控及從控單元的參數(shù)修改;總控單元具備強大的通信能力，具備多路RS485及CAN總線接口，實現(xiàn)與后臺監(jiān)控系統(tǒng)及能力轉(zhuǎn)換系統(tǒng)（PCS）的通信功能，實時上傳系統(tǒng)信息并接受監(jiān)控后臺及PCS的監(jiān)控指令。

3 結(jié)論

本文中，作者詳細介紹了一種儲能電池分級管理及控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)將儲能電池的管理分為三個層次，適用于大型儲能系統(tǒng)，對系統(tǒng)故障響應速度快，提高了系統(tǒng)的安全性及穩(wěn)定性。

參考文獻：

[1]朱偉杰，史尤杰，雷博.鋰離子電池儲能系統(tǒng)BMS的功能安全分析與設(shè)計[J].儲能科學與技術(shù)，2020，1：272-278.

[2]金遠，韓甜，韓鑫，等.鋰離子電池熱管理綜述[J].儲能科學與技術(shù)，2019，8：24-30.

[3]張洋，呂中賓，姚浩偉，等.集裝箱式鋰離子電池儲能系統(tǒng)消防系統(tǒng)設(shè)計[J].消防科學與技術(shù)，2020，39（2）：143-145.

[4]杜光超，鄭莉莉，張志超，等.鋰離子電池熱安全性研究進展[J].儲能科學與技術(shù). 2019，3：500-505

（作者單位：山東電工電氣集團有限公司研發(fā)中心）