由于锂电池单体电压较低，在实际储能应用中需要大量单体电池的串并联构成锂电池组。然而，锂电池由于本身的固有特性，其在长期充放电过程中易受各单体电池间充电接受能力、自放电率和容量衰减等影响，各个单体电池上存在一定的电压差，长期使用，不仅降低了电池的效率，进一步产生安全隐患。另外，过冲、过放以及温度变化对电池性能影响很大，长时间的过冲、过放严重降低电池寿命。因此，研制高性能的锂电池组管理系统对于提高电池使用寿命、提升储能效率是十分必要的。

目前，国外的电池管理系统研究大多集中在电动汽车上，技术也比较成熟，并且已经进入实际应用阶段，但是对大容量储能电池管理系统的研究较少。国内电池管理技术还不成熟，对整个储能电池管理还都处于探索阶段。储能电池管理系统研究的要点是如何掌握电池组中的每个电池状态，并根据这些状态进行合理的管理。为了更加适合储能条件的需要，本文针对储能锂电池组，介绍了一种分层式电池管理系统，详述了每层的主要功能以及层与层之间的关系，着重介绍了电池管理系统的单体电池电压、单体电池温度的高精度数据采集和准确的电池状态估计方法。

1锂电池管理系统总体设计

储能系统一般所需容量大、电压高，需要成千上万的单体电池通过串、并联组合成电池系统来满足多种功能。出于体积、安全和有利于维护等方面考虑，单体电池通过串、并联组成电池箱，电池箱通过串联组合成电池堆。每个电池箱配备一个单体电池管理控制器(LECU)，所有LECU通过CAN通信组合成一个电池管理单元(BMU)，并配备上位机监控系统、高压检测和绝缘检测等其他模块，这些模块共同构成电池管理系统(BMS)。本文介绍的电池管理系统采用3层式分层进行管理，如图1所示。

底层由多个LECU单元组成，主要完成串联电池模块电压采集、多点温度的测量、电压均衡控制功能，如图2所示。同时，LECU还要根据箱体电池温度进行热管理，当电池温度超过最优工作温度区间，开启风机，对温度过高的电池降温，直到温度降低到电池工作范围，控制风机停止。LECU通过CAN总线和中间层交互信息，LECU是电池管理系统中最基本的单元，它的检测精度、通信的可靠性是电池管理系统的前提。

中间层为电池管理单元(BMU)，负责管理底层中所有的LECU，同时负责采集系统总电压、总电流，估算电池荷电状态(SOC)，实现高压管理、绝缘监测;BMU还对电流充放电进行保护，判断系统故障状态，实时上报给上位机监控系统，在LECU协同作用下完成电池串的均衡控制，采用CAN通信完成底层和顶层的数据交互，如图3所示。

顶层为上位机监控系统，负责显示电池充放电状态、系统总电压电流、单体电池最高最低电压、温度最高最低模块、故障、系统接触器状态等，同时面向PCS和监控系统调度，进行通信、管理和控制。

2锂电池管理系统的主要功能及验证

储能用锂离子电池管理系统包含多个功能模块，一般有数据采集功能、运行模式选择功能、通信功能、报警功能、电池系统保护、电池系统容量标定、SOC估计功能、热管理功能、电池均衡管理功能、绝缘检测功能等。其中，单体电池数据检测、电池状态估计、温度检测是目前电池管理系统研究的热点，本文主要讨论这3个功能的实现策略。

2.1单体电池电压检测

2.1.1单体电池电压检测原理

电池单体电压采集选用Linear公司的电池检测芯片LTC6804－2，该芯片可测量12路单体电池，可堆叠式架构实现高电压电池组的监测，13ms测完所有单元。为了在电气噪声、开关、继电器等导致瞬态存在的情况下保持最高准确度的测量，LTC6804采用了内置三阶噪声滤波的增量累加ADC。采用这种监测芯片，单体电压采集精度可以达到2mV，通过SPI接口将数据传输到控制器芯片C8051F040，控制器芯片通过CAN通信将单体电压传送到中间层进行处理，中间层通过CAN通信可以获取底层多个LECU的单体电压测量数据，从而完成所有的单体电压测量。

2.1.2电压精度检测结果

本文选用AgikentE3634A稳压源输出电压，通过电池检测芯片LTC6804－2测量的数据与FLUKE万用表287C的测量结果进行对比分析。电池检测芯片LTC6804－2的12个通道采集数据和万用表287C测量数据如表1所示。分析得出最大误差1.4mV，小于LTC6804－2数据手册中的2mV最大测量误差，满足锂电池单体电压测量精度的要求。

2.2单体电池温度检测

2.2.1单体温度检测方法

温度传感器采用NTC热敏电阻103F3435ＲT型号，采用电阻分压式方法如图4所示，电压通过控制芯片C8051F040内部AD进行采集。由于NTC热敏电阻值与温度呈非线性对应关系，该特性增加了实际应用中测温的难度。传统的表达电阻值与温度之间关系的公式为指数方程，具体公式如下:

式中:ＲT是温度为T(K)时的电阻值，ＲT0是温度为T0时的电阻值，B是热敏电阻常数。

由于该指数方程在较宽的温度范围下，引入的非线性误差较大，在未经修正的情况下基本不能直接使用。本文采用一种较为简单的用于NTC型热敏电阻的温度与电阻值转换方法，该方法可以直接在工程中使用，其在较大的温度范围内与实测数据误差较小，同时计算量较小。该方法经验公式为:

式中:Ｒ是温度为T时的电阻值，T为温度(K)。

本方法中的经验公式是从传统的指数方程上发展而来，与公式(1)的主要区别是T作为分母多加了一个常数项c，且常数a和b不受制于温度与热敏电阻常数的关系，在特定的参数设置下本方程可以等同于指数方程。参数a、b、c由经验公式与厂家提供的数据表利用软件拟合得到，没有具体的物理意义。

2.2.2温度检测采用比较结果

NTC热敏电阻103F3435ＲT型号，根据厂家提供的阻温特性，利用Origin软件中非线性拟合功能，自定义输入方程式

式中:x等于温度T，y等于电阻Ｒ，a、b、c设置为可变量。a、b、c的初始值可以根据厂家提供的25°时的参数进行设定，例如，可设置a=–B25/T25、b=B25、c=0，此时则根据表1，a=－3435/298.15=－11.521、b=3435、c=0。当初值如前所述设置时，本方程表达式为:

与按照参数T0=T25=25℃，Ｒ0=Ｒ25=10kΩ，B=B25带入的指数方程相同见公式(1)，由此也可以看出指数方程(1)只是公式(2)的一种特殊情况。按照上述参数设定，画出指数方程曲线与厂家实测曲线对比如图5所示。

由图5可以看出，直接使用指数方程，并代入厂商所提供参数进行计算后，方程求得的曲线与厂家实测曲线相差较大，特别是在低温范围内，方程所得值与实际值误差很大，基本不能直接进行工程应用。设置a、b、c初值时使用指数函数的初值，主要是为了避免Origin在拟合的时候由于初值偏差太大而产生软件错误不能拟合。在Origin软件非线性拟合工具中输入好公式与参数初值之后，点击拟合按键直到ＲeducedChi－sqr(残差平方和)不再变化为止，得到a=－13.36422、b=4741.1285、c=56.6196。因此103F3435ＲT热敏电阻的温度与电阻表达式如下:

式中Ｒ指温度为T时的电阻值。

根据表1中数据得出公式(3)的关系图6，图中可以看出经验方程计算曲线与厂家实测曲线基本重合，精度较高可以直接工程应用，首先测得热敏电阻电阻值然后代入公式(3)就可以计算出温度。在相同的电阻值下用实测的温度减去计算的温度得到误差，图7画出了经验公式计算出的温度与实测值的误差，同时作出指数公式计算数据误差作为对比。

由图7同样可以看出经验公式误差非常小，在很大的温度范围内误差都接近0，而传统的指数方程则误差较大。

2.3SOC估计功能

锂离子电池组的SOC是剩余电池量的估计，是储能锂电池非常重要的一个参数。严格监控锂电池的SOC是一项非常重要的任务，因为电池的过冲、过放都会导致电池寿命的下降，长时间过冲，甚至会造成电池的燃烧和爆炸，造成严重的后果。目前电池SOC估算方法包括开路电压法、安时积分法、神经网络法和卡尔曼滤波法等，每种方法都有各自的使用范围［9－10］，具体的特性比较见表2。目前国内实际应用的实时在线估计SOC的方法仍然采用以电流积分为主，加上不同的修正方式。

假设电池的充放电起始状态为，那么电池当前状态的SOC一般表示为:

式中:CN为额定容量;η为充放电效率;i(t)为电池电流，其中当电池处于放电状态时i(t)＞0，电池处于充电状态时i(t)＜0。

由于SOC估计受温度、充放电电流大小、传感器采集精度等影响，很难保证电池安全有效的运行。为了找到一种统一的方法确定电池SOC的当前状态，提前为储能逆变器提供警告，为储能逆变器提供足够的缓冲时间，从而保证电池不过充过放，延长电池寿命。本文采用最常用安时积分法，依靠高精度的电压、电流采集和大量的历史数据存储功能，对某电池进行不同倍率充电实验，得到V－SOC关系图，基于V－SOC曲线，对相邻采样点的电压值进行差值计算，得到各倍率相应的ΔV－SOC曲线，对ΔV－SOC曲线进行平移和纵坐标变化，并移至重合得到如图8所示图形。由图8可以看出，各倍率充电曲线在平台两侧拐点相对集中。为了寻找统一的特征点以有效修正不同倍率充电的电池SOC，平台拐点的选取应满足各倍率曲线重合度较高且尽量接近平台端点。

通过以上方法找到如图8中的A点和B点作为充电的最低点和最高点，通过判断ΔV和SOC的关系可以有效的防止电池过冲。当充电到达电池B点时，提醒储能逆变器此时电池处于预充满状态，从而减小充电电流，保证电池不过充，当电池充满以后对SOC进行重新标定，重置由于积分过程中产生的累计误差，这样每次循环周期都将消除上一个循环周期的累计误差。同样方法通过放电实验可以得到相似的ΔV－SOC关系图，得到放电A点作为放电SOC的最低点，提醒储能逆变器此时电池处于预放完状态，从而减小放电电流，保证电池不过放。通过A点和B点作为电池SOC的参考点，可以防止电池的过冲、过放，有效地提高电池的循环寿命。

3结语

本文提出了一套适用于储能大容量电池堆的电池管理系统，该电池管理系统采用3层式分层管理体系。文中详细介绍了每层的作用及相互间的关系，同时采用LTC6804－2芯片简化了电池电压测量，提高电压测量精度;采用NTC温度传感器的经验公式计算方法，有效的提高了温度测量精度;通过对锂电池进行测量得到ΔV－SOC曲线，找到不依赖于充放电倍率的统一判定条件，从而防止系统的过冲、过放，有效地提高电池寿命。