一種動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)儲(chǔ)能系統(tǒng)容量的電池管理系統(tǒng)

一種動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)儲(chǔ)能系統(tǒng)容量的電池管理系統(tǒng)

1儲(chǔ)能大規(guī)模推廣進(jìn)展緩慢隨著世界能源儲(chǔ)量市場(chǎng)的快速發(fā)展，從促進(jìn)可支配能源的消費(fèi)到電網(wǎng)一側(cè)的頻率調(diào)整峰，再到新能源汽車(chē)動(dòng)力電池的應(yīng)用，儲(chǔ)量的快速增長(zhǎng)表明市場(chǎng)份額有所增加。隨著市場(chǎng)的推廣與發(fā)展，投資回報(bào)率成為制約儲(chǔ)能大規(guī)模推廣的瓶頸之一。電池在儲(chǔ)能系統(tǒng)中成本占比高達(dá)75%～80%，為保證投資回報(bào)率，儲(chǔ)能系統(tǒng)投資者在招標(biāo)時(shí)均對(duì)儲(chǔ)能系統(tǒng)電池可用容量制定了嚴(yán)格要求，儲(chǔ)能系統(tǒng)生產(chǎn)商為達(dá)到招標(biāo)要求，在系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)需保留1.2～1.3倍的設(shè)計(jì)冗余，以保證全生命周期電池可用容量符合要求，這也導(dǎo)致系統(tǒng)度電成本增加，利潤(rùn)率降低2充放電優(yōu)化設(shè)計(jì)研究導(dǎo)致電池系統(tǒng)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(huì)降低電池組的可用容量，并縮短電池組的循環(huán)壽命。電池管理系統(tǒng)在電池運(yùn)行的過(guò)程中均設(shè)有保護(hù)機(jī)制，在某一節(jié)電池單體電壓達(dá)到最高或者最低時(shí)便停止充放電操作，達(dá)到保護(hù)電池及系統(tǒng)安全的目的近年來(lái)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(lèi)(1）優(yōu)化電池成組時(shí)的不一致性。通過(guò)優(yōu)化鋰離子電池生產(chǎn)工藝、基于動(dòng)態(tài)特性曲線配組法的分選制度等方式降低初始狀態(tài)的不一致性。(2）優(yōu)化電池成組方式帶來(lái)的不一致性。通過(guò)改變電池的串并聯(lián)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(yōu)化電池運(yùn)行過(guò)程中的不一致性。通過(guò)各種主動(dòng)均衡或被動(dòng)均衡的方式，對(duì)與其他單體差異大的單體電池進(jìn)行單獨(dú)補(bǔ)電或被動(dòng)放電，使其與其他單體盡量保持一致。3整體方案設(shè)計(jì)本文提出一種動(dòng)態(tài)提高儲(chǔ)能系統(tǒng)可用容量的電池管理系統(tǒng)，在儲(chǔ)能系統(tǒng)運(yùn)行的過(guò)程中通過(guò)軟件控制策略調(diào)整電池成組方式，在系統(tǒng)充放電末端根據(jù)電池狀態(tài)參數(shù)循環(huán)判斷出當(dāng)前瞬態(tài)下的“短板”電池，而后切出“短板”保證剩余電池繼續(xù)充放，從而延長(zhǎng)系統(tǒng)充放電時(shí)間，使系統(tǒng)“充的更滿、放的更多”，在保證安全的基礎(chǔ)上最大限度的挖掘電池潛能，從而提高系統(tǒng)的可用容量。該電池管理系統(tǒng)整體上分為邏輯分析層、信息采集層以及動(dòng)作執(zhí)行層。在傳統(tǒng)電池管理系統(tǒng)的基礎(chǔ)上增加了電池組切入切出單元以及相應(yīng)的控制電路，并在邏輯分析層增加相應(yīng)的軟件模塊（邏輯分析判斷模塊）。系統(tǒng)整體架構(gòu)如圖1所示。動(dòng)作執(zhí)行層連接于兩個(gè)電池單體或兩個(gè)電池模組之間，根據(jù)主控模塊的指令進(jìn)行電池單體或模組的選擇，并對(duì)該電池單體或模組進(jìn)行切入切出操作。該部分的電路可以由一切具有開(kāi)關(guān)功能的器件組成，如具有開(kāi)關(guān)作用可軟件控制的MOSFET、繼電器等信息采集層實(shí)時(shí)采集并實(shí)時(shí)上傳單體電壓信息、溫度信息、內(nèi)阻信息等相關(guān)信息給邏輯分析層，以便通過(guò)邏輯分析層中的邏輯分析判斷模塊在充放電末端時(shí)對(duì)電池參數(shù)信息進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，從而判斷出哪節(jié)單體為當(dāng)前瞬態(tài)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(jìn)行設(shè)計(jì)，目前市面上有多種成熟方案如LTC6811、LAPIS5238、MAX14921，亦或通過(guò)分立器件進(jìn)行采樣電路設(shè)計(jì)均為可行方案。在傳統(tǒng)電池管理系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，信息采集層增加了切入切出模塊的控制電路如MOSFET驅(qū)動(dòng)電路、繼電器前級(jí)驅(qū)動(dòng)電路等，用于根據(jù)邏輯分析層的指令驅(qū)動(dòng)相應(yīng)切入切出單元執(zhí)行相應(yīng)動(dòng)作。邏輯分析層可設(shè)計(jì)于二層或三層架構(gòu)的最上層進(jìn)行，該部分通過(guò)主控芯片對(duì)信息采集層上傳的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，結(jié)合系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)做出邏輯判斷，并根據(jù)“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(jìn)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，F(xiàn)reeScaleMC系列等。除此之外還應(yīng)具有傳統(tǒng)電池管理系統(tǒng)應(yīng)有的功能單元，如總電壓采集、總電流采集、數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)、各種通信電路等，因傳統(tǒng)電池管理系統(tǒng)已有非常成熟方案，在此不再贅述。4電池管理系統(tǒng)的監(jiān)控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(chǔ)信息后通過(guò)CAN通信上傳至邏輯分析層，邏輯分析層對(duì)下屬所有信息采集層的信息進(jìn)行匯總處理，并對(duì)電池電壓進(jìn)行排序得到最大值及其電池編號(hào)、最小值及其電池編號(hào)。根據(jù)目前系統(tǒng)所處的狀態(tài)以及保護(hù)閾值的對(duì)比，判斷是否有電池模組需要切出，并下發(fā)控制指令執(zhí)行相應(yīng)動(dòng)作。此過(guò)程按照一定頻率（如100ms）循環(huán)進(jìn)行，逐一切出短板電池直至總電壓下限，其余電池繼續(xù)完成充放從而延長(zhǎng)了系統(tǒng)充放時(shí)間，使系統(tǒng)充的更滿放的更空。該部分流程圖如圖2所示。5不同放電狀態(tài)的soc測(cè)試選用國(guó)軒3.2V200Ah單體電芯組成12S1P的電池模組，12個(gè)電池模組組成144S1P的電池系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)試。為模擬電池不一致場(chǎng)景，其中一個(gè)模組插入一個(gè)150Ah的單體作為系統(tǒng)“短板”，系統(tǒng)理論容量為92Kwh，設(shè)定電池單體滿電電壓為3.55V，無(wú)電電壓為2.7V，充電電流設(shè)置為xxA，放電電流設(shè)置為xxA。具體測(cè)試過(guò)程如下：(1）使用傳統(tǒng)電池管理系統(tǒng)從滿電放電到無(wú)電，記錄SOC數(shù)值及放電量；從無(wú)電充電到滿電，記錄SOC數(shù)值及充電量。(2）使用基于電池容量動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)技術(shù)的儲(chǔ)能電池管理系統(tǒng)從滿電放電到無(wú)電，記錄SOC數(shù)值及放電量；從無(wú)電充電到滿電，記錄SOC數(shù)值及充電量。SOC數(shù)值每分鐘記錄一次，為減小誤差干擾，測(cè)試均進(jìn)行3次并取平均值，測(cè)試結(jié)果如圖3所示。經(jīng)過(guò)測(cè)試得知：(1）傳統(tǒng)BMS在充電狀態(tài)下，充電量為61.37Kwh，電池SOC達(dá)到66.7%；改進(jìn)后的BMS充電量為92.96kwh，電池SOC達(dá)到99.8%。(2）傳統(tǒng)BMS在放電狀態(tài)下，放電量為60.23Kwh，電池SOC放電至34.5%；改進(jìn)后的BMS放電量為9