儲能電站一般由成千上萬的單體電池串并聯而成，為了確保這些單體電池能夠安全有效運行，需要采用專門的電池管理系統（ＢＭＳ）對電池進行監控和管理。
現有的ＢＭＳ系統主要是針對電動汽車設計的，與電動汽車相比，儲能系統中含有的串并聯單體電池數量更多，導致儲能系統結構更加復雜，對ＢＭＳ系統的處理能力要求也大大提高。
因此為了更好地滿足儲能系統的實際需求，需要對儲能中ＢＭＳ系統的功能和結構進行分析，并在此基礎上設計一款適用于儲能應用的ＢＭＳ系統。
為此，基于對儲能中ＢＭＳ系統功能需求的分析及各主流電池管理芯片參數的對比，選擇ＮＸＰ公司生產的MC33771作為ＢＭＳ系統中的模擬量采樣芯片，并設計了３層系統結構，實現電池電壓、溫度、電流等模擬量的采樣，并完成系統其他功能設計。
以鈦酸鋰電池組為測試對象，結果表明，所設計的ＢＭＳ系統能夠準確采樣各種信息并以此為基礎實現其他設定的功能，能夠滿足儲能系統的使用需求。
儲能應用中的BMS結構
對比目前常見的幾種主流電池模擬量采樣芯片，MC33771具有更多的電壓采樣通道以及寬溫范圍內最高的測量精度，并且采用菊花鏈通信的方式省去了昂貴的數字隔離器，因此采用MC33771作為模擬量采樣芯片。
采用菊花鏈通信的方式１次最多可掛接１５個MC33771，而每個MC33771可管理１４串電池，所以１個控制器通過１條菊花鏈最多可實現對２１０節電池的管理。
而每個控制器之間則可通過１個主控制器完成系統整體的運行和協調，實現管理更多電池的功能，并且采用主從控制器結合的方式能夠避免單個控制器任務量過大，影響系統實時處理能力的問題。
為此，本文采用３層結構的方案，具體結構框圖如圖１所示。
底層是：MC33771及其附屬電路構成的BSU，負責采集電池各項信息；
中間層:是從控制器組成的ＢＣＵ，主要負責通過菊花鏈的通信方式控制各自的BSU完成數據采集的功能，并將相應數據上傳；
上層是ＢＭＵ:負責系統內部的整體協調以及與外部信息交互，根據外部請求控制整個ＢＭＳ系統的運行過程。
BMS系統硬件設計
BMS系統硬件主要分為BSU、BCU和BMU。為了節省設計時間，將ＢＣＵ和ＢＭＵ的硬件結構統一，只需根據不同功能焊接相應器件即可。
1.ＢＳＵ硬件設計
ＢＳＵ主要由MC33771及其附屬電路組成，其中MC33771主要完成電池的電壓、溫度采集以及各種故障檢測和均衡功能。其中，電壓采樣與均衡電路如圖２所示，溫度采樣則通過計算熱敏電阻阻值的方式實現。
MC33771采用菊花鏈完成信息的上傳下達，通過控制內部相應MOS管的通斷實現最大通態電流為300ｍＡ的被動均衡功能。采用菊花鏈通信無需額外的高速光耦以及配套的隔離電源，只需１個隔離變壓器ＨＭ2012ＮＬ即可實現２片級聯的MC33771之間的信息傳遞，節省了成本。
菊花鏈采用差分信號傳輸數據，為了能夠實現MC33771與控制器（單片機）的正常通信，需要采用ＭＣ33664信號轉換芯片將差分信號轉換為ＳＰＩ信號。菊花鏈通信的結構示意圖如圖３所示。
2.ＢＣＵ與ＢＭＵ硬件設計
ＢＣＵ與ＢＭＵ采用相同的硬件結構，根據功能需求焊接不同器件，其硬件結構主要分為主控制器、電流測量電路、ＣＡＮ通信電路以及繼電器驅動電路等。
（1）主控制器設計
主控制器采用ＳＴ公司生產的STM32F405RGT6。它是一種32位的ＡＲＭ架構處理器，主頻高達１６８ＭＨｚ，內部具有１Ｍ的Ｆｌａｓｈ容量，外部采用６４引腳的封裝，集成了３路ＳＰＩ總線、２路ＣＡＮ總線，可以滿足系統的需求。
STM32F405RGT6
（2）ＣＡＮ總線通信電路
ＢＭＵ和ＢＣＵ之間通過ＣＡＮ總線傳輸信息，采用ＴＪＡ1040Ｔ作為ＣＡＮ總線收發芯片。
ＴＪＡ1040Ｔ
鑒于系統中串聯了大量單體電池，為防止地電位不同導致的共模干擾以及對ＣＡＮ收發芯片造成的損壞，在單片機ＣＡＮ通信接口與ＣＡＮ總線收發芯片之間串入ＡＤＵＭ1201ＢＲＺ雙向磁隔離器實現信號的隔離，并在ＣＡＮ收發器輸入端并聯１２０Ω電阻抑制回波反射。ＣＡＮ總線通信電路如圖４所示
（3）充放電控制電路
ＢＭＵ負責根據外部相應的請求和ＢＭＳ系統內部狀態控制充放電過程，采用繼電器作為充放電主回路的開關。以ＭＯＳＦＥＴ驅動電路控制繼電器的吸合，完成相應的動作，具體的驅動電路如圖５所示。
其中，ＰＩＮ１和ＰＩＮ２是與繼電器相應觸點連接的端點；ＩＯ為單片機的控制引腳；串聯反二極管的作用是吸收ＭＯＳ管關斷時繼電器線圈上的電流。
（4）電流測量電路
本文基于分流器的方式測量回路電流，采用的分流器規格為500Ａ／75ｍＶ。由于直接使用單片機的ＡＤ引腳測量分流器的電壓會導致巨大的測量誤差，因此本文采用亞德諾半導體生產的ADUCM331作為電流采樣芯片。
分流器
ADUCM331是一款基于ＡＲＭＣｏｒｔｅｘ－Ｍ３架構的32位處理器，采樣電壓范圍為－200～＋300ｍＶ，電流采樣精度為20位，最大采樣頻率可達８ｋＨｚ.
ADUCM331
通過ＳＰＩ總線或ＵＡＲＴ方式實現與外部通信，并可通過ＳＷＤ引腳完成程序下載。為了保護ADUCM331的電流采樣引腳，接入必要的限流和限壓電路，具體的電流采樣保護電路結構如圖６所示。
BMS系統軟件設計
ＢＭＳ軟件功能主要包括電壓、電流、溫度采樣，均衡功能，充放電控制，故障預警和ＳＯＣ估算等。其中電池電壓、溫度、電流精確采樣是實現其他功能的基礎。
１.初始化MC33771
執行采樣功能之前，首先要對MC33771初始化。初始化流程如下。
（１）通信初始化。對ＳＴＭ３２Ｆ４０５的ＳＰＩ１和ＳＰＩ２分別初始化，因為通過ＭＣ３３６６４轉換后的通信速率高達２Ｍｂ／ｓ，直接使用ＳＰＩ接收中斷無法正常讀取返回信息，所以采用ＤＭＡ的方式接收返回的數據。
（２）MC33771初始化。ＳＰＩ初始化后，ＢＣＵ對所有MC33771發送復位指令，將每個MC33771的ＩＮＩＴ寄存器都設置為０ｘ００，使所有的MC33771的ＩＤ號都為０。復位完成后按菊花鏈級聯的順序重新依次賦予不同的ＩＤ。
（３）初始化MC33771中系統控制寄存器ＳＹＳ＿ＣＦＧ１和ＳＹＳ＿ＣＦＧ２以及需要配置成溫度測量功能的ＧＰＩＯ端口。
（４）故障預警設置。MC33771中自帶有過壓欠壓、過溫欠溫、均衡開路和短路等相關預警功能，對于需要用到的預警功能，使能ＦＡＵＬＴ＿ＭＡＳＫｘ寄存器中相應數據位即可，對于不需要用到的預警功能則進行屏蔽。
（５）將設定的過壓、欠壓閾值寫入ＴＨ＿ＡＬＬ＿ＣＴ寄存器中，將過溫、欠溫閾值寫入相應的ＴＨ＿ＡＮｘ＿ＯＴ和ＴＨ＿ＡＮｘ＿ＵＴ寄存器里。
２.電壓溫度采樣
完成初始化流程后，即可對MC33771下達信號采集命令，MC33771主要采集各節電池的電壓以及溫度數據。
首先將轉換命令寫入ＡＤＣ＿ＣＦＧ寄存器中使得相應MC33771啟動轉換，等待轉換完成后，讀取對應的ＭＥＡＳ＿ＣＥＬＬ或ＭＥＡＳ＿ＡＮ寄存器中的數值并通過公式計算出真實的電壓和溫度信息。具體的采樣流程如圖７所示。
３.電流采樣電
流采樣是通過Ａｄｕｃｍ３３１電流采樣芯片完成的，需要對Ａｄｕｃｍ３３１的相關寄存器進行配置，具體流程如圖８所示。
結語
本文通過對儲能應用中ＢＭＳ系統功能和結構的分析，完成了相應的軟硬件設計并對設計的系統進行了實際測試，結論如下：基于３層結構的ＢＭＳ系統可以實現管理多節單體電池的功能，適用于大容量的儲能系統；
所設計的ＢＭＳ系統能夠精確采集電池電壓、電流、溫度等數據，并在此基礎上有效完成如故障檢測與保護和電池組ＳＯＣ估算等功能，滿足實際的應用要求。
參考資料：儲能應用中的ＢＭＳ系統設計，作者：陸 凡，劉 東
原文始發于微信公眾號（艾邦儲能與充電）：儲能應用中的BMS系統設計