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摘要：电池管理系统专为能量存储应用而设计。 系统采用三层结构，采用MC33771作为模拟采样芯片，实现电池电压、电流、温度等数据的采集，并在此基础上完成其他需要的功能。 以广泛应用于储能系统的钛酸锂电池为实际测试对象，测试结果表明，所设计的BMS系统能够实现对电池各项信息的精确采样，其中电压测量误差不超过2mV，且目前的抽样误差为0.1%。 可有效完成各种设置功能，满足储能应用需求。

随着传统能源的衰落，新能源发电技术以其环保无污染的优势越来越受到人们的关注。 但新能源发电具有波动性和不确定性，会造成严重的谐波干扰，甚至导致电网崩溃。 . 为了解决这些问题，一般采用锂电池储能电站来减少电力波动对电网造成的损害。 储能电站一般由数千个单体电池串并联组成。 为了保证这些单体电池的安全有效运行，需要专门的电池管理系统（BMS）对电池进行监控和管理。

现有的BMS系统主要是为电动汽车设计的。 与电动汽车相比，储能系统中的串并联电池数量更多，导致储能系统结构更加复杂，对BMS系统的处理能力要求更高。 因此，为了更好地满足储能系统的实际需求，有必要分析BMS系统在储能中的功能和结构，并在此基础上设计适合储能应用的BMS系统。 为此，基于对BMS系统在储能方面的功能需求分析以及对各种主流电池管理芯片参数的比较，选择了NXP生产的MC33771作为BMS系统中的模拟采样芯片，并且设计了三层体系结构来实现电池管理。 对电压、温度、电流等模拟量进行采样，完成系统其他功能的设计。 以钛酸锂电池组为测试对象，结果表明，所设计的BMS系统能够准确采样各种信息，并以此为基础实现其他设定功能，能够满足储能系统的需求。

1 BMS在储能应用中的结构

与几种常见的主流电池模拟采样芯片相比，MC33771具有更多的电压采样通道和宽温度范围内最高的测量精度，并且采用菊花链通信来节省昂贵的数字隔离器，因此采用MC33771作为模拟采样芯片。

通过菊花链通信方式，一次最多可以连接15个MC33771，每个MC33771可以管理14串电池，因此一个控制器可以通过一个菊花链管理多达210个电池。 每个控制器都可以通过一个主控制器完成系统的整体运行和协调，实现管理更多电池的功能，主从控制器的组合可以避免单个控制器的任务负载过大。 影响系统实时处理能力的问题。 为此，本文采用三层结构方案，具体结构框图如图1所示。底层是由MC33771及其辅助电路组成的BSU，负责采集电池的各种信息; 中间层是由从控制器组成的BCU，主要负责控制各个BSU通过菊花链的通信方式完成数据采集功能，并将相应的数据上传； 上层是BMU，负责系统内部的整体协调和与外部信息的交互，根据外部请求控制整个BMS系统的运行过程。

图1 BMS系统结构

2BMS系统硬件设计

BMS系统硬件主要分为BSU、BCU和BMU。 为了节省设计时间，BCU和BMU的硬件结构是统一的，只需要根据不同的功能焊接相应的器件即可。

2.1 BSU硬件设计

BSU主要由MC33771及其辅助电路组成，其中MC33771主要完成电池电压、温度采集以及各种故障检测和均衡功能。 其中，电压采样和均衡电路如图2所示，温度采样是通过计算热敏电阻的阻值实现的。 MC33771采用菊花链方式完成信息的上传和发布，通过控制内部相应MOS管的通断实现最大通态电流300mA的无源均衡功能。 采用菊花链通信，不需要额外的高速光耦和配套的隔离电源，只需要一个隔离变压器HM2012NL就可以实现两个级联的MC33771之间的信息传输，节省了成本。 菊花链使用差分信号传输数据。 为了实现MC33771与控制器（单片机）之间的正常通信，需要使用MC33664信号转换芯片将差分信号转换为SPI信号。 菊花链通信的结构图如图3所示。

图2 电压采样和均衡电路

图3 菊花链通信结构示意图

2.2 BCU和BMU硬件设计

BCU和BMU采用相同的硬件结构，根据功能需求焊接不同的器件。 硬件结构主要分为主控制器、电流测量电路、CAN通信电路和继电器驱动电路。

2.2.1 主控制器设计

主控制器采用ST公司生产的STM32F405RGT6。 它是一款32位ARM架构处理器，主频高达168MHz。 内部1M Flash容量，外部64脚封装。 它集成了3条SPI总线和2条CAN总线以满足系统的需要。 .

2.2.2 CAN总线通讯电路

BMU与BCU之间通过CAN总线传输信息，采用TJA1040T作为CAN总线收发芯片。 鉴于系统中有大量单体电池串联，为防止地电位不同造成共模干扰，损坏CAN收发芯片，串接一个ADUM1201BRZ双向磁隔离器单片机的CAN通信接口与CAN总线收发芯片之间实现信号保护。 隔离，并在 CAN 收发器的输入端并联一个 120Ω 电阻以抑制回波反射。 CAN总线通信电路如图4所示。

图4 CAN总线通信电路

2.2.3 充放电控制电路

BMU负责根据相应的外部请求和BMS系统内部状态控制充放电过程，继电器作为充放电主电路的开关。 利用MOSFET驱动电路控制继电器吸合，完成相应动作。 具体驱动电路如图5所示，其中PIN1、PIN2为接继电器相应触点的端点； IO为单片机的控制引脚； 串联反二极管的作用是吸收MOS管关断时继电器线圈上的电流。

图5 继电器驱动电路

2.2.4 电流测量电路

本文采用分流法测量回路电流，使用的分流规格为500A/75mV。 由于直接使用单片机的AD引脚测量分流器的电压会导致巨大的测量误差，因此本文采用Analog Devices公司生产的ADUCM331作为电流采样芯片。 ADUCM331 是一款基于 ARM Cortex-M3 架构的 32 位处理器。 采样电压范围-200~+300mV，电流采样精度20位，最高采样频率可达8kHz。 它通过SPI总线或UART与外部通信，可以通过SWD引脚进行程序下载。 为了保护ADUCM331的电流采样引脚，连接了必要的限流限压电路。 具体的电流采样保护电路结构如图6所示。

图6 电流采样电路

3BMS系统软件设计

BMS软件功能主要包括电压、电流、温度采样、均衡功能、充放电控制、故障预警和SOC预估等，电池电压、温度、电流的准确采样是实现其他功能的基础。

3.1 初始化MC33771

在执行采样功能之前，必须先对 MC33771 进行初始化。 初始化过程如下。

(1) 通信初始化。 STM32F405的SPI1和SPI2分别初始化，由于MC33664转换后的通信速率高达2Mb/s，直接使用SPI接收中断无法正常读取返回信息，所以返回数据由DMA接收。

(2) MC33771初始化。 SPI初始化后，BCU向所有MC33771发送复位命令，将每个MC33771的INIT寄存器设置为0x00，使所有MC33771的ID号为0。复位完成后，依次分配不同的ID菊花链级联的顺序。

(3)初始化MC33771中的系统控制寄存器SYS_CFG1和SYS_CFG2以及需要配置为温度测量功能的GPIO端口。

(4)故障预警设置。 MC33771自带过压欠压、过温欠温、均衡开路短路等相关预警功能。 对于需要使用的预警功能，只需使能FAULT_MASKx寄存器中相应的数据位即可。 对于不需要使用的预警功能，功能被屏蔽。

(5) 将设置的过压和欠压阈值写入TH_ALL_CT寄存器，将过温和欠温阈值写入对应的TH_ANx_OT和TH_ANx_UT寄存器。

3.2 电压和温度采样

完成初始化过程后，可以向MC33771发出信号采集命令，MC33771主要采集各节电池的电压和温度数据。 先将转换命令写入ADC_CFG寄存器，使对应的MC33771开始转换。 转换完成后，读取对应的MEAS_CELL或MEAS_AN寄存器中的值，通过公式计算出真实的电压和温度信息。 具体采样过程如图7所示。

图7 电压温度读取流程

3.3 电流采样

电流采样由Aducm331电流采样芯片完成，需要配置Aducm331的相关寄存器，具体过程如图8所示。

图8 电流采样过程

4、实验分析

采用两组14节串联钛酸锂电池PACK测试电压、温度、电流的采样精度。 其中，读取上位机的电压数据，并与安捷伦六位半万用表的测量数据进行比较，以万用表的测试数据为真值。 某组PACK的测试结果如表1所示，可见电压测量误差在2mV以内，能够满足实际系统要求。

表 1 电压测量结果

主回路串联一个500A/75mV分流器信号隔离器电路图，用电子负载组成放电回路。 通过调节电子负载的放电电流来测试电流采样精度，并以电子负载上显示的电流值作为基准进行比较。 电流采样精度测试结果如表2所示（绝对精度是指电流采样误差的绝对值除以1000A的结果），可得电流采样的相对误差不大于2%，绝对误差在0.1%以下。 满足当前精度要求。

表2 电流采样精度测试

将温度计放入水中，同时将热敏电阻浸入水中，通过不断向盆中加入热水来改变水温。 观察上位机读取的相应温度值和温度计的指示信号隔离器电路图，验证测温精度。 测试结果如表3所示，可见最大测温误差不超过3℃，满足实际要求。

表3 温度采样精度测试

在上述采样的基础上，还测试了故障检测、SOC预估等其他功能，可以满足实际需要。

5 结论

本文在分析BMS系统在储能应用中的功能和结构的基础上，完成了相应的硬件和软件设计，并对所设计的系统进行了实际测试。 该功能适用​​于大容量储能系统； 所设计的BMS系统能够准确采集电池电压、电流、温度等数据，并在此基础上有效完成故障检测与保护、电池组SOC预估等功能，满足实际应用需求。

结尾。