新型電池充放電管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)

田登偉 曾實(shí)現(xiàn) 邵瑞影

【摘 要】基于儲(chǔ)能系統(tǒng)電池成組的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)一種新型的電池充放電管理系統(tǒng)，具有解決在電池成組技術(shù)中，單體電池電壓不一致、高低溫環(huán)境下電池?zé)o法正常工作、充放電回路中電壓電流難以精準(zhǔn)掌握、剩余電池容量的難以準(zhǔn)確估算的功能，可以使電池組高效率工作并且可以延長(zhǎng)電池使用壽命。新型電池充放電管理系統(tǒng)，還有過(guò)壓、欠壓、高溫、低溫、過(guò)流等異常情況報(bào)警的能力，在使用過(guò)程中有效避免了電池組異常情況的進(jìn)一步惡化。新型電池充放電管理系統(tǒng)，引入了電池均衡管理主動(dòng)、被動(dòng)兩種均衡方式，對(duì)電池的一致性進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和調(diào)整，可以非常有效的解決電池組單體電壓不一致的難題。

【關(guān)鍵詞】?jī)?chǔ)能系統(tǒng)；電池成組；應(yīng)用

一、緒論

電池成組技術(shù)已在電動(dòng)大巴、電動(dòng)轎車(chē)、電網(wǎng)儲(chǔ)能等多個(gè)領(lǐng)域得到應(yīng)用，在國(guó)家大力發(fā)展清潔能源的環(huán)境下，未來(lái)還有更大的發(fā)展空間[1]。大容量鋰電池儲(chǔ)能系統(tǒng)在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用發(fā)展?jié)摿薮螅M管?chē)?guó)內(nèi)單體制造技術(shù)已相對(duì)成熟，但電池成組理論研究不多，成組后性能極大程度下降以及安全性問(wèn)題也亟待解決[2]。

二、儲(chǔ)能系統(tǒng)中電池成組方式

將儲(chǔ)能支路定義為儲(chǔ)能系統(tǒng)的最小組成單元，由一臺(tái)儲(chǔ)能變流器（PCS）、電池堆（BP）和電池管理系統(tǒng)（BMS）構(gòu)成。電池堆是儲(chǔ)能支路的核心單元，由單體電池的串并聯(lián)組合構(gòu)成，即傳統(tǒng)意義上的電池成組，設(shè)計(jì)中需要滿足一定的原則以兼顧電池連接的安全可靠性以及電池管理監(jiān)控的方便合理性[3]，其層次關(guān)系如圖1所示。

三、新型電池系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

（一）專用芯片選擇

采用Linear公司推出的專用的電池電壓監(jiān)測(cè)芯片LTC6803，LTC6803在13ms內(nèi)能夠完成所有單體電壓數(shù)據(jù)，采集過(guò)后數(shù)據(jù)通信速率能夠達(dá)到1Mhz，芯片內(nèi)部集成12位ADC，通過(guò)讀取寄存器相應(yīng)的標(biāo)志位，能夠自動(dòng)檢測(cè)電池過(guò)壓與欠壓狀態(tài)，同時(shí)LTC6802有自帶均衡控制引腳，最大共模電壓能夠達(dá)到60V，同時(shí)采集12節(jié)鋰電池電壓。

（二）電池選擇及其電池系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)選用NCR18650B電池，容量可達(dá)3400mah，電壓的標(biāo)稱為3.7V，充滿后是4.2V，放完電為2.75V，可以反復(fù)充放1000次以上，內(nèi)阻很小，電池的利用率較高。但是，電池單體宜用恒流-恒壓充電方式，充電電流最大不超過(guò)2.38A，典型充電電流是1.62A，充電電壓不應(yīng)超過(guò)4.2V，充電時(shí)環(huán)境溫度范圍：0-40℃，放充電電流最大不超過(guò)4.87A，放電電壓不低于2.5V，放電時(shí)環(huán)境溫度-20-60℃。

結(jié)合變流器電壓、充放電功率、NCR18650B電池特性和電池電壓監(jiān)測(cè)芯片LTC6803的特性。電池單體數(shù)量總計(jì)2400顆，電池系統(tǒng)結(jié)構(gòu)確定為24串，25并，4組，一個(gè)BMS從機(jī)監(jiān)控24個(gè)電池單體，如圖1所示為整體系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖。電池系統(tǒng)額定電壓為355.2V，正常工作時(shí)電壓范圍為：264-403.2V，充電電流40.5A，充電功率14kW。放電電流最大為121.75A。最大放電功率43kW。

四、結(jié)論

結(jié)合目前國(guó)內(nèi)技術(shù)現(xiàn)狀，當(dāng)前在電池成組技術(shù)應(yīng)用的可行方向是從技術(shù)層面上提高，積極推進(jìn)示范工程的試點(diǎn)運(yùn)行工作，為電池儲(chǔ)能系統(tǒng)的進(jìn)一步技術(shù)發(fā)展和理論深化提供充分的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與平臺(tái)支撐。未來(lái)需重點(diǎn)突破的技術(shù)包括：加快大容量單體電池研制，簡(jiǎn)化電池模塊的串并聯(lián)連接，模塊標(biāo)準(zhǔn)化應(yīng)用；實(shí)現(xiàn)靈活的電池分選、冗余保護(hù)和高效的模塊均衡控制，以應(yīng)對(duì)當(dāng)前電池一致性差異大及狀態(tài)辨識(shí)可靠性不高的條件限制；統(tǒng)計(jì)分析研究不同應(yīng)用環(huán)境和使用工況下的電池組失效模式和壽命分布，進(jìn)行電池組剩余壽命預(yù)測(cè)。

新型電池充放電管理系統(tǒng)，可以將采集的電池組各單體電池電壓、溫度反饋到主控系統(tǒng)以便主控對(duì)電池組工作狀態(tài)的掌握，在充電和放電過(guò)程中對(duì)充放電時(shí)間和充放電電流以及充放電電量進(jìn)行精準(zhǔn)判斷，進(jìn)一步提高電池的工作效率和使用壽命。新型電池充放電管理系統(tǒng)綜合考慮了鋰電池、蓄電池及其他常用電池種類的共性和差異，可以對(duì)當(dāng)下的大多數(shù)種類的電池進(jìn)行充放電管理，在未來(lái)越來(lái)越多的電池種類、用電場(chǎng)合下，新型電池充放電管理系統(tǒng)，將會(huì)發(fā)揮越來(lái)越重要的作用，并且將會(huì)為國(guó)家發(fā)展清潔能源助力。

【參考文獻(xiàn)】

[1]鐘愛(ài)玲.一種便攜式光伏電源系統(tǒng)的儲(chǔ)能單元研究[J].電子世界，2017（16）：24+26.

[2]周鄭，黃斐，蘇丹，郭漢明.基于STM32的嵌入式系統(tǒng)電源管理設(shè)計(jì)[J].軟件導(dǎo)刊，2018，17（01）：105-107+121.

[3]趙夢(mèng)戀，吳曉波，嚴(yán)曉浪.一種智能化電源管理集成電路的研究[J].浙江大學(xué)學(xué)報(bào)（工學(xué)版），2005（07）：921-925.