由于鋰電池單體電壓較低，在實際儲能應用中需要大量單體電池的串并聯構成鋰電池組。然而，鋰電池由于本身的固有特性，其在長期充放電過程中易受各單體電池間充電接受能力、自放電率和容量衰減等影響，各個單體電池上存在一定的電壓差，長期使用，不僅降低了電池的效率，進一步產生安全隱患。另外，過沖、過放以及溫度變化對電池性能影響很大，長時間的過沖、過放嚴重降低電池壽命。因此，研制高性能的鋰電池組管理系統對于提高電池使用壽命、提升儲能效率是十分必要的。

目前，國外的電池管理系統研究大多集中在電動汽車上，技術也比較成熟，并且已經進入實際應用階段，但是對大容量儲能電池管理系統的研究較少。國內電池管理技術還不成熟，對整個儲能電池管理還都處于探索階段。儲能電池管理系統研究的要點是如何掌握電池組中的每個電池狀態，并根據這些狀態進行合理的管理。為了更加適合儲能條件的需要，本文針對儲能鋰電池組，介紹了一種分層式電池管理系統，詳述了每層的主要功能以及層與層之間的關系，著重介紹了電池管理系統的單體電池電壓、單體電池溫度的高精度數據采集和準確的電池狀態估計方法。

1鋰電池管理系統總體設計

儲能系統一般所需容量大、電壓高，需要成千上萬的單體電池通過串、并聯組合成電池系統來滿足多種功能。出于體積、安全和有利于維護等方面考慮，單體電池通過串、并聯組成電池箱，電池箱通過串聯組合成電池堆。每個電池箱配備一個單體電池管理控制器(LECU)，所有LECU通過CAN通信組合成一個電池管理單元(BMU)，并配備上位機監控系統、高壓檢測和絕緣檢測等其他模塊，這些模塊共同構成電池管理系統(BMS)。本文介紹的電池管理系統采用3層式分層進行管理，如圖1所示。

底層由多個LECU單元組成，主要完成串聯電池模塊電壓采集、多點溫度的測量、電壓均衡控制功能，如圖2所示。同時，LECU還要根據箱體電池溫度進行熱管理，當電池溫度超過最優工作溫度區間，開啟風機，對溫度過高的電池降溫，直到溫度降低到電池工作范圍，控制風機停止。LECU通過CAN總線和中間層交互信息，LECU是電池管理系統中最基本的單元，它的檢測精度、通信的可靠性是電池管理系統的前提。

中間層為電池管理單元(BMU)，負責管理底層中所有的LECU，同時負責采集系統總電壓、總電流，估算電池荷電狀態(SOC)，實現高壓管理、絕緣監測;BMU還對電流充放電進行保護，判斷系統故障狀態，實時上報給上位機監控系統，在LECU協同作用下完成電池串的均衡控制，采用CAN通信完成底層和頂層的數據交互，如圖3所示。

頂層為上位機監控系統，負責顯示電池充放電狀態、系統總電壓電流、單體電池最高最低電壓、溫度最高最低模塊、故障、系統接觸器狀態等，同時面向PCS和監控系統調度，進行通信、管理和控制。

2鋰電池管理系統的主要功能及驗證

儲能用鋰離子電池管理系統包含多個功能模塊，一般有數據采集功能、運行模式選擇功能、通信功能、報警功能、電池系統保護、電池系統容量標定、SOC估計功能、熱管理功能、電池均衡管理功能、絕緣檢測功能等。其中，單體電池數據檢測、電池狀態估計、溫度檢測是目前電池管理系統研究的熱點，本文主要討論這3個功能的實現策略。

2.1單體電池電壓檢測

2.1.1單體電池電壓檢測原理

電池單體電壓采集選用Linear公司的電池檢測芯片LTC6804－2，該芯片可測量12路單體電池，可堆疊式架構實現高電壓電池組的監測，13ms測完所有單元。為了在電氣噪聲、開關、繼電器等導致瞬態存在的情況下保持最高準確度的測量，LTC6804采用了內置三階噪聲濾波的增量累加ADC。采用這種監測芯片，單體電壓采集精度可以達到2mV，通過SPI接口將數據傳輸到控制器芯片C8051F040，控制器芯片通過CAN通信將單體電壓傳送到中間層進行處理，中間層通過CAN通信可以獲取底層多個LECU的單體電壓測量數據，從而完成所有的單體電壓測量。

2.1.2電壓精度檢測結果

本文選用AgikentE3634A穩壓源輸出電壓，通過電池檢測芯片LTC6804－2測量的數據與FLUKE萬用表287C的測量結果進行對比分析。電池檢測芯片LTC6804－2的12個通道采集數據和萬用表287C測量數據如表1所示。分析得出最大誤差1.4mV，小于LTC6804－2數據手冊中的2mV最大測量誤差，滿足鋰電池單體電壓測量精度的要求。

2.2單體電池溫度檢測

2.2.1單體溫度檢測方法

溫度傳感器采用NTC熱敏電阻103F3435ＲT型號，采用電阻分壓式方法如圖4所示，電壓通過控制芯片C8051F040內部AD進行采集。由于NTC熱敏電阻值與溫度呈非線性對應關系，該特性增加了實際應用中測溫的難度。傳統的表達電阻值與溫度之間關系的公式為指數方程，具體公式如下:

式中:ＲT是溫度為T(K)時的電阻值，ＲT0是溫度為T0時的電阻值，B是熱敏電阻常數。

由于該指數方程在較寬的溫度范圍下，引入的非線性誤差較大，在未經修正的情況下基本不能直接使用。本文采用一種較為簡單的用于NTC型熱敏電阻的溫度與電阻值轉換方法，該方法可以直接在工程中使用，其在較大的溫度范圍內與實測數據誤差較小，同時計算量較小。該方法經驗公式為:

式中:Ｒ是溫度為T時的電阻值，T為溫度(K)。

本方法中的經驗公式是從傳統的指數方程上發展而來，與公式(1)的主要區別是T作為分母多加了一個常數項c，且常數a和b不受制于溫度與熱敏電阻常數的關系，在特定的參數設置下本方程可以等同于指數方程。參數a、b、c由經驗公式與廠家提供的數據表利用軟件擬合得到，沒有具體的物理意義。

2.2.2溫度檢測采用比較結果

NTC熱敏電阻103F3435ＲT型號，根據廠家提供的阻溫特性，利用Origin軟件中非線性擬合功能，自定義輸入方程式

式中:x等于溫度T，y等于電阻Ｒ，a、b、c設置為可變量。a、b、c的初始值可以根據廠家提供的25°時的參數進行設定，例如，可設置a=–B25/T25、b=B25、c=0，此時則根據表1，a=－3435/298.15=－11.521、b=3435、c=0。當初值如前所述設置時，本方程表達式為:

與按照參數T0=T25=25℃，Ｒ0=Ｒ25=10kΩ，B=B25帶入的指數方程相同見公式(1)，由此也可以看出指數方程(1)只是公式(2)的一種特殊情況。按照上述參數設定，畫出指數方程曲線與廠家實測曲線對比如圖5所示。

由圖5可以看出，直接使用指數方程，并代入廠商所提供參數進行計算后，方程求得的曲線與廠家實測曲線相差較大，特別是在低溫范圍內，方程所得值與實際值誤差很大，基本不能直接進行工程應用。設置a、b、c初值時使用指數函數的初值，主要是為了避免Origin在擬合的時候由于初值偏差太大而產生軟件錯誤不能擬合。在Origin軟件非線性擬合工具中輸入好公式與參數初值之后，點擊擬合按鍵直到ＲeducedChi－sqr(殘差平方和)不再變化為止，得到a=－13.36422、b=4741.1285、c=56.6196。因此103F3435ＲT熱敏電阻的溫度與電阻表達式如下:

式中Ｒ指溫度為T時的電阻值。

根據表1中數據得出公式(3)的關系圖6，圖中可以看出經驗方程計算曲線與廠家實測曲線基本重合，精度較高可以直接工程應用，首先測得熱敏電阻電阻值然后代入公式(3)就可以計算出溫度。在相同的電阻值下用實測的溫度減去計算的溫度得到誤差，圖7畫出了經驗公式計算出的溫度與實測值的誤差，同時作出指數公式計算數據誤差作為對比。

由圖7同樣可以看出經驗公式誤差非常小，在很大的溫度范圍內誤差都接近0，而傳統的指數方程則誤差較大。

2.3SOC估計功能

鋰離子電池組的SOC是剩余電池量的估計，是儲能鋰電池非常重要的一個參數。嚴格監控鋰電池的SOC是一項非常重要的任務，因為電池的過沖、過放都會導致電池壽命的下降，長時間過沖，甚至會造成電池的燃燒和爆炸，造成嚴重的后果。目前電池SOC估算方法包括開路電壓法、安時積分法、神經網絡法和卡爾曼濾波法等，每種方法都有各自的使用范圍［9－10］，具體的特性比較見表2。目前國內實際應用的實時在線估計SOC的方法仍然采用以電流積分為主，加上不同的修正方式。

假設電池的充放電起始狀態為，那么電池當前狀態的SOC一般表示為:

式中:CN為額定容量;η為充放電效率;i(t)為電池電流，其中當電池處于放電狀態時i(t)＞0，電池處于充電狀態時i(t)＜0。

由于SOC估計受溫度、充放電電流大小、傳感器采集精度等影響，很難保證電池安全有效的運行。為了找到一種統一的方法確定電池SOC的當前狀態，提前為儲能逆變器提供警告，為儲能逆變器提供足夠的緩沖時間，從而保證電池不過充過放，延長電池壽命。本文采用最常用安時積分法，依靠高精度的電壓、電流采集和大量的歷史數據存儲功能，對某電池進行不同倍率充電實驗，得到V－SOC關系圖，基于V－SOC曲線，對相鄰采樣點的電壓值進行差值計算，得到各倍率相應的ΔV－SOC曲線，對ΔV－SOC曲線進行平移和縱坐標變化，并移至重合得到如圖8所示圖形。由圖8可以看出，各倍率充電曲線在平臺兩側拐點相對集中。為了尋找統一的特征點以有效修正不同倍率充電的電池SOC，平臺拐點的選取應滿足各倍率曲線重合度較高且盡量接近平臺端點。

通過以上方法找到如圖8中的A點和B點作為充電的最低點和最高點，通過判斷ΔV和SOC的關系可以有效的防止電池過沖。當充電到達電池B點時，提醒儲能逆變器此時電池處于預充滿狀態，從而減小充電電流，保證電池不過充，當電池充滿以后對SOC進行重新標定，重置由于積分過程中產生的累計誤差，這樣每次循環周期都將消除上一個循環周期的累計誤差。同樣方法通過放電實驗可以得到相似的ΔV－SOC關系圖，得到放電A點作為放電SOC的最低點，提醒儲能逆變器此時電池處于預放完狀態，從而減小放電電流，保證電池不過放。通過A點和B點作為電池SOC的參考點，可以防止電池的過沖、過放，有效地提高電池的循環壽命。

3結語

本文提出了一套適用于儲能大容量電池堆的電池管理系統，該電池管理系統采用3層式分層管理體系。文中詳細介紹了每層的作用及相互間的關系，同時采用LTC6804－2芯片簡化了電池電壓測量，提高電壓測量精度;采用NTC溫度傳感器的經驗公式計算方法，有效的提高了溫度測量精度;通過對鋰電池進行測量得到ΔV－SOC曲線，找到不依賴于充放電倍率的統一判定條件，從而防止系統的過沖、過放，有效地提高電池壽命。