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【摘 要】本文中，作者提出一种储能电池分级管理及控制系统，将储能电池的管理分为三个层次，各层级中的控制模块分工协作，在各自的层级完成管理分配的工作，形成完整的储能电池控制系统。
【关键词】锂电池;储能系统;电池管理;主控模块;总控模块
1 引言
随着国家对新能源开发利用的力度不断加大，分布式发电技术及微电网也得到了快速发展，为了应对新能源波动大，供电不稳定的问题，进一步提高电力系统运行可靠性，大容量的储能技术显得日益重要。
大容量的储能系统在实际应用过程中，要做到系统能够安全、高效运行，并尽可能延长电池使用寿命，就要求对储能电池系统及系统中的每一节储能电池进行全方位、多角度、全生命周期的管理及控制[1-2]，随着储能系统容量不断变大，其电池串并联数量也在大幅增加，系统中需要检测及控制的变量也越来越多，传统的电池管理系统无法满足大容量储能系统的管理需求[3-4]。
本文为了解决上述问题，提出一种储能电池分级管理及控制系统，将储能电池的管理分为三个层次，各层级中的控制模块分工协作，在各自的层级完成管理分配的工作，形成完整的储能电池控制系统。
2 系统设计
本文设计的儲能电池分级及控制系统将储能电池分为多个电池簇并联到直流总线中，每个电池簇由若干节电池单体串联组成，满足系统电压输出要求，由此，每个电池簇可作为一个独立的子系统使用，在某一簇出现问题时及时切断该簇，使得故障电池簇不影响整个电池系统的使用。对某一簇电池的管理还可根据该簇串联电池的数量分为多个电池模块，每个电池模块包括若干个电池单体，对电池模块分别管理可减轻每个管理单元的工作量，同时提高管理单元对系统故障的响应时间，对出现的电池故障做出快速处理。
储能电池管理系统从下到上分为从控->主控->总控三级管理单元。分别对应电池系统中的电池单体、电池模块及电池簇，该系统对电池进行实时监控、安全管理、故障报警和应急保护处理，对电池模块、电池簇和电池系统的运行进行安全和优化控制，可保证电池安全、可靠、稳定运行。
2.1 从控单元
从控单元主要包括MCU、电池电压采集模块、电池温度采集模块，均衡模块，热管理模块及通信模块;MCU作为单元总控制器通过电压检测模块实时监测储能电池单体电压，并根据采集到的电压信息通过主动均衡模块对电池进行均衡;通过温度检测模块采集电池温度，并根据温度高低通过热管理模块对电池进行加热及散热控制;通过CAN通信模块与主控进行通信，实时上传电池电压、温度信息及电池报警信息。
电压检测模块由两组LTC6804芯片组成，每个芯片可采集12串单体电压信息，模块最大可实现24串电池单体的信息采集。
为了应对组内电池电压不均衡造成的容量木桶效应，从控单元均衡模块采用主动均衡技术对组内电池进行均衡，将高电压单体电池电量转移到低电压单体电池，以此保证电池电压一致性，增大电池容量。
温度检测模块根据检测到的温度判断电池单体内部温度是否适宜电池工作，若内部温度高于上限设定值则启动风扇，若内部温度低于下限设定值则启动加热模块，模块的热管理通过开出回路驱动继电器实现。
从控单元与主控单元采用CAN总线连接，各从控单元根据主控单元召唤信息上传各自电池电压及温度信息，温度及电压超限值采用主动上传方式，如此在出现故障时可及时对故障进行上传并处理。
2.2 主控单元
主控单元负责管理一簇电池上的若干个从控单元，通过下发召唤命令方式获取本簇电池单体信息并接收从控单元主动上传的报警信息;通过电流检测模块计算本簇电池组的充放电电流，以此计算电池组剩余电量（SOC）;通过可控开关控制电池簇在直流总线上的投切，当检测到电池充满后，断开与总线连接，当检测到电量不足时，闭合开关进行补电，同时快速响应总控模块下发的用电要求，及时闭合开关向总线上设备供电;主控单元还可根据从控上传报警信息及时断开控制开关，可在某一电池簇出现故障时实现该簇与直流总线的隔离，确保系统可靠性及安全性。
2.3 总控单元
总控单元负责管理多个主控单元，总控单元具备就地显示功能，可通过触屏显示系统中全部单体电池信息，并完成对电池模块、电池簇和电池系统的运行进行安全和优化控制，保证电池安全、可靠、稳定运行;同时通过触屏还可实现参数的配置功能，不仅可以修改单元自身参数，还可通过CAN总线以下发命令形式实现对主控及从控单元的参数修改;总控单元具备强大的通信能力，具备多路RS485及CAN总线接口，实现与后台监控系统及能力转换系统（PCS）的通信功能，实时上传系统信息并接受监控后台及PCS的监控指令。
3 结论
本文中，作者详细介绍了一种储能电池分级管理及控制系统，该系统将储能电池的管理分为三个层次，适用于大型储能系统，对系统故障响应速度快，提高了系统的安全性及稳定性。
参考文献：
[1]朱伟杰，史尤杰，雷博.锂离子电池储能系统BMS的功能安全分析与设计[J].储能科学与技术，2020，1：272-278.
[2]金远，韩甜，韩鑫，等.锂离子电池热管理综述[J].储能科学与技术，2019，8：24-30.
[3]张洋，吕中宾，姚浩伟，等.集装箱式锂离子电池储能系统消防系统设计[J].消防科学与技术，2020，39（2）：143-145.
[4]杜光超，郑莉莉，张志超，等.锂离子电池热安全性研究进展[J].储能科学与技术. 2019，3：500-505
（作者单位：山东电工电气集团有限公司研发中心）
【关键词】锂电池;储能系统;电池管理;主控模块;总控模块
1 引言
随着国家对新能源开发利用的力度不断加大，分布式发电技术及微电网也得到了快速发展，为了应对新能源波动大，供电不稳定的问题，进一步提高电力系统运行可靠性，大容量的储能技术显得日益重要。
大容量的储能系统在实际应用过程中，要做到系统能够安全、高效运行，并尽可能延长电池使用寿命，就要求对储能电池系统及系统中的每一节储能电池进行全方位、多角度、全生命周期的管理及控制[1-2]，随着储能系统容量不断变大，其电池串并联数量也在大幅增加，系统中需要检测及控制的变量也越来越多，传统的电池管理系统无法满足大容量储能系统的管理需求[3-4]。
本文为了解决上述问题，提出一种储能电池分级管理及控制系统，将储能电池的管理分为三个层次，各层级中的控制模块分工协作，在各自的层级完成管理分配的工作，形成完整的储能电池控制系统。
2 系统设计
本文设计的儲能电池分级及控制系统将储能电池分为多个电池簇并联到直流总线中，每个电池簇由若干节电池单体串联组成，满足系统电压输出要求，由此，每个电池簇可作为一个独立的子系统使用，在某一簇出现问题时及时切断该簇，使得故障电池簇不影响整个电池系统的使用。对某一簇电池的管理还可根据该簇串联电池的数量分为多个电池模块，每个电池模块包括若干个电池单体，对电池模块分别管理可减轻每个管理单元的工作量，同时提高管理单元对系统故障的响应时间，对出现的电池故障做出快速处理。
储能电池管理系统从下到上分为从控->主控->总控三级管理单元。分别对应电池系统中的电池单体、电池模块及电池簇，该系统对电池进行实时监控、安全管理、故障报警和应急保护处理，对电池模块、电池簇和电池系统的运行进行安全和优化控制，可保证电池安全、可靠、稳定运行。
2.1 从控单元
从控单元主要包括MCU、电池电压采集模块、电池温度采集模块，均衡模块，热管理模块及通信模块;MCU作为单元总控制器通过电压检测模块实时监测储能电池单体电压，并根据采集到的电压信息通过主动均衡模块对电池进行均衡;通过温度检测模块采集电池温度，并根据温度高低通过热管理模块对电池进行加热及散热控制;通过CAN通信模块与主控进行通信，实时上传电池电压、温度信息及电池报警信息。
电压检测模块由两组LTC6804芯片组成，每个芯片可采集12串单体电压信息，模块最大可实现24串电池单体的信息采集。
为了应对组内电池电压不均衡造成的容量木桶效应，从控单元均衡模块采用主动均衡技术对组内电池进行均衡，将高电压单体电池电量转移到低电压单体电池，以此保证电池电压一致性，增大电池容量。
温度检测模块根据检测到的温度判断电池单体内部温度是否适宜电池工作，若内部温度高于上限设定值则启动风扇，若内部温度低于下限设定值则启动加热模块，模块的热管理通过开出回路驱动继电器实现。
从控单元与主控单元采用CAN总线连接，各从控单元根据主控单元召唤信息上传各自电池电压及温度信息，温度及电压超限值采用主动上传方式，如此在出现故障时可及时对故障进行上传并处理。
2.2 主控单元
主控单元负责管理一簇电池上的若干个从控单元，通过下发召唤命令方式获取本簇电池单体信息并接收从控单元主动上传的报警信息;通过电流检测模块计算本簇电池组的充放电电流，以此计算电池组剩余电量（SOC）;通过可控开关控制电池簇在直流总线上的投切，当检测到电池充满后，断开与总线连接，当检测到电量不足时，闭合开关进行补电，同时快速响应总控模块下发的用电要求，及时闭合开关向总线上设备供电;主控单元还可根据从控上传报警信息及时断开控制开关，可在某一电池簇出现故障时实现该簇与直流总线的隔离，确保系统可靠性及安全性。
2.3 总控单元
总控单元负责管理多个主控单元，总控单元具备就地显示功能，可通过触屏显示系统中全部单体电池信息，并完成对电池模块、电池簇和电池系统的运行进行安全和优化控制，保证电池安全、可靠、稳定运行;同时通过触屏还可实现参数的配置功能，不仅可以修改单元自身参数，还可通过CAN总线以下发命令形式实现对主控及从控单元的参数修改;总控单元具备强大的通信能力，具备多路RS485及CAN总线接口，实现与后台监控系统及能力转换系统（PCS）的通信功能，实时上传系统信息并接受监控后台及PCS的监控指令。
3 结论
本文中，作者详细介绍了一种储能电池分级管理及控制系统，该系统将储能电池的管理分为三个层次，适用于大型储能系统，对系统故障响应速度快，提高了系统的安全性及稳定性。
参考文献：
[1]朱伟杰，史尤杰，雷博.锂离子电池储能系统BMS的功能安全分析与设计[J].储能科学与技术，2020，1：272-278.
[2]金远，韩甜，韩鑫，等.锂离子电池热管理综述[J].储能科学与技术，2019，8：24-30.
[3]张洋，吕中宾，姚浩伟，等.集装箱式锂离子电池储能系统消防系统设计[J].消防科学与技术，2020，39（2）：143-145.
[4]杜光超，郑莉莉，张志超，等.锂离子电池热安全性研究进展[J].储能科学与技术. 2019，3：500-505
（作者单位：山东电工电气集团有限公司研发中心）