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锂离子电池组管理系统设计方案——采用3.2V/80Ah电池项目部第1页共15页1、术语定义磷酸铁锂单体电池：由电极及电解质构成的磷酸铁锂电池基本单元；每一个单体电池只能有一个独立封闭体。（注：若用多个单体电池并联并再次用外壳封装成为一个独立电池，将不视为一个单体电池）。电池箱：包含电池、连接件、BMS均衡管理模块、电气连接件及通讯接口等，安装在电池柜上的基本单元，本方案中一个电池箱包含40并4串160支单体电池（。注：对于同一厂家生产的磷酸铁锂电池组，其几何尺寸、工作性能以及接口规格应统一，以便各电池组之间具有互换能力）。电池管理系统（BMS）：用于监测、评估及保护电池运行状态的电子设备集合。用于监测并传递锂离子电池、电池组及电池系统单元的运行状态信息，如电池电压、电流、温度以及保护量等；评估计算电池的荷电状态SOC、寿命健康状态SOH及电池累计处理能量等；保护电池安全等。电池簇：由一定数量的磷酸铁锂单体电池组通过串联组合，并配置BMS的组合体，其通过断路器或DC/DC模块接入PCS入口直流母线。电池系统：一台双向变流器直流侧接入的由一定数量的电池组通过串、并联组合，并配置电池管理系统（BMS）的组合体。储能单元：由一台双向变流器（PCS）和一个电池系统构成的，可以作为独立的负载或电源直接调度的单元。电池柜：放置电池箱及电气元器件的柜体。电气柜：放置具有电动操作功能的断路器、熔断器、接触器及电池管理系统元件，实现电池系统的能量与状态监控，配合双向变流器进行系统管理。2、设计目标在本方案设计一套100KW锂离子储能电池系统。该电池系统主要包括单体模块（3.2V80Ah）、电池箱、电池架等。整体设计基于科学的内部结构与连接设计，先进的电池生产工艺，独立的电池箱模块化设计，既便于安装维护，有便于安装运输，具有高比能量和第2页共15页长寿命、安全可靠、使用温度范围宽等特性。3、设计原则1）安全可靠设计原则首先，电池箱内部连接采用串连设计原则，保证单体电池成组安全可靠性；其次，整个锂电储能系统为一个支路并PCS进行连接。在问题时，不影响其他单体电池或电池箱的安全运行；同时，模块化设计有利于电池组搬运、2）模块化设计原则单体电池和电池组采用模块化结构设计，独立的模块化设计保证单体电池或单箱电池存组装及维护；3）结构优化设计电池架采用优质冷轧钢板并结合抗震结构加强设计，充分保证电池箱与电池架在运输或地震时抗震性能；同时汇流柜、控制器汇流结构采用模数化组合的装配式结构，既实现了线路汇流免维护，有保证柜体结构具有良好的机械强度。4）配置合理化设计电池系统最小单元采用低容量聚合物塑壳包装锂电池，既防止单体电池运行时发生爆炸，又提高了整体电池系统散热性；5）先进实用化设计锂电池采用完善的生产工艺，具体高容量、高倍率、长寿命、绿色环保等性能；同时，电池系统配置先进的具备无损主动均衡电池管理系统BMS，既延长了储能电池使用寿命，提高系统运行安全性，又实现了储能电池系统自我管理与智能远程控制。从而，真正实现储能系统的实用化4、电池成组方案根据系统需求，本储能电池系统采用模组化设计。3.2V80Ah磷酸铁锂单体电池，12个串联组成一个模组，总计12个模组构成整套216串系统后通过PCS与交流负载相连。一个分流器，一个熔断器、一个接触器和断路器等功率器件组成第3页共15页电池系统配置BMS及PCS单元即组成电池储能单元，系统结构如下图：图2储能单元结构图电池管理系统为二级结构，电池从控管理单元负责管理1个电池箱（内含12个单体电池），主控管理单元负责管理1个电池簇（18个电池组）。系统中断路器，熔断器，接触器为电池系统提供保护措施，防止电池系统短路，过压欠压过温等异常对电池造成损害，其中过压欠压过温等异常保护需要BMS配合工作。4.1、系统配置编号项目名称技术指标备注80Ah12345储能电池类型锂电储能总标称容量总标称电压总标称容量最大工作电流磷酸铁锂电池100KW691.4V80Ah2C第4页共15页6连续工作电流工作电压范围工作温度范围1C604V~788.4V充电：0°C~45°C放电：-10°C~50°C78锂电池系统参数配置整套系统共39个从控，3个电流盒，3个高压盒，3个主控，3个熔断器，6个大接触器，3个预充接触器，3个断路器，3个霍尔电流传感器，1个总控，1个液晶屏。第5页共15页主控单元，是电池管理系统的控制核心。主控通过与从控单元通讯实现对电池单体电压、温度等的检测，并检测电池组总电压、充放电流、对地绝缘电阻等外特性参数、按照适当的算法对蓄电池内部状态（容量、SOC、SOH等）进行估算和监控，在此基础上实现了对蓄电池5、主控&总控单元5.1简介组的充放电管理、热管理、绝缘检测、单体均衡管理和故障报警；5.2主要功能：1)电池组总电压检测；2)电池组充放电流检测；3)电池组对地绝缘电阻检测；4)电池组充放电管理；5)电池组热管理(加热/风扇)；6)预充电管理7)SOC与SOH实时动态估算；8)BMS系统自检与故障诊断报警；9)电池组故障诊断报警；10)各种异常及故障情况的安全保护；11)与PCS通信；12)数据存储、传输与处理；第6页共15页13)强大的系统自检功能，保证系统自身的正常工作。6、从控单元6.1简介从控单元是储能电池管理系统（BMS）的重要组成部分，它对动力电池在成组使用时的安全应用以及寿命的延长等方面都起着决定性的作用。从控单元通过对各单体电池的电压和温度进行精确采集，实现对电池状态的实时监控，控制均衡单元，实现双向主动均衡。模块具有可靠的数据通讯功能，系统运行过程中，可实现与主控单元进行通讯，上报运行信息。设计中采用高可靠的控制芯片，并利用最新的采集技术，采集精度高，为SOC的预估提供了良好的物理基础。模块系统框图如下图7所示：6.2主要功能1）兼容监测4~12串单体电池电压；2）0~4路外部温度采样和0~2路内部均衡温度采样；4）1路CAN数据收发；5）1路RS485数据收发（根据需求配置）；第7页共15页6.3技术参数主要技术参数最小值典型值最大值单位备注电压912/2436V带干接点输出情况增加低压供电0.15电源电流A/0.0850mA/25mA温度-25585℃595使用环境相对湿度%海拔绝缘电阻绝缘与耐4100mM电压采样端与外壳及数字接口端压电压采样端与外壳及数字接口端之间打50Hz1500Vac,1分钟无击穿、耐压无闪络单体电池电压范围3.35.0V电压采样精度±(0.1%FS+0.1%RD)2V~5V,-25℃~85℃电流采样电流范围+/-300电池箱最负端，75mV分流A器采样精度±(0.5%FS+0.5%RD)温度范围温度采样外部温度采-4001404℃通常采样电池温度第8页共15页样点数内部温度采样点数02通常采样均衡温度功率MOS输出1230℃V采样精度耐压驱动电流14.250100AVMA短时3A1.7均衡工作电压范围最大均衡电流不同电池类型可适当调整7、人机界面7.1外形结构第9页共15页第10页共15页7.2、主要功能及指标•整组系统运行状态实时准确显示。具备电池系统保护参数设置功能。通讯参数选择配置功能。告警信息显示及告警提醒功能。主回路控制功能。数据存储，内置数据存储优盘。•••••8、系统实现功能：1)直流侧1000Vdc，功率1MW，能量600kWh的储能系统2)BMS系统工作电压为12V/24V，电压范围为9V~36V，满足各种储能场合需要，并具备防反接功能；3)系统具有电池单体电压和电池组组端电压采集功能，具有采集精度高、速度快，并可以通过单体累加和组端采集的对比来确保采集的可靠；4)系统具有温度采集、电流采集功能；5)系统具有精确的绝缘检测功能，确保整车系统的安全可靠；6)系统根据电池的采集信息，采用自主的综合算法，实时计算电池的SOC和SOH，在电池组动态和静态情况下均能获得极好的精度；7)热管理功能，对电池箱的运行温度进行严格监控，如果温度高于或低于保护值将输出热管理启动信号，系统可配备风机或保温储热装置来调整温度；若温度达到设定的危险值，电池管理系统自动与系统保护机制联动，及时切断电池回路，保证系统安全。8)根据电池组采集计算信息，实时判断电池组工作状态和故障等级，实现电池组告警和保护功能；9)自我故障诊断与容错技术，电池管理系统采用先进的自我故障诊断和容错技术，对模块第11页共15页自身软硬件具有自检功能，即使内部故障甚至器件损坏，也不会影响到电池运行安全。不会因电池管理系统故障导致储能系统发生故障，甚至导致电池损坏或发生恶性事故。10)系统具有丰富的接口功能，能满足多种场合的应用，方便实现电池组的充放电控制，电池组的温度控制等功能；11)系统具有多路CAN通信接口，可以实现与EMS、PCS进行信息交换和控制，具有RS-232/RS-485接口，可以实现与显示模块进行信息传输，系统具有GPRS功能，可以实现远程的信息监控，控制和系统升级功能；12)系统精选高可靠性器件，采用多重冗余保护措施，充分考虑严酷的电磁环境以及高低温、盐雾等环境，系统具有高可靠性，高稳定性和高抗干扰性能。13)系统可适用于磷酸铁锂电池、锰酸锂电池、钛酸锂电池以及三元材料等电池类型9、系统组成根据电池数量及容量配置系统组成如下：序号主要部件数量备注1储能管理系统—主控盒1收集3簇电池信息，并与液晶屏通信2储能管理系统—从控盒1818个电池单元管理3储能管理系统—高压箱1主回路及功率器件4储能管理系统—人机界面1整套系统信息显示与储存5线束若干数据采集线、通讯线第12页共15页10、结构尺寸10.1、主控盒第13页共15页10.2、从控盒第14页共15页10.3、高压箱高压箱及电池组电气原理图第15页共15页