CN111934374A - 一种基于双控制器的三级架构的大型储能电池管理系统 - Google Patents

一种基于双控制器的三级架构的大型储能电池管理系统 Download PDF

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邵立勇
贺浩
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Abstract

本发明公开了一种基于双控制器的三级架构的大型储能电池管理系统，包括：电池簇管理系统BAMS，是第一控制器，通过以太网交换机以及以太网，分别与多个电池簇管理单元BCMU相通讯连接；辅助管理系统TMS，是第二控制器，通过以太网与BAMS相通讯连接；每个电池簇管理单元BCMU，通过CAN总线，分别与多个电池模组管理单元BLMU相通讯连接；其中，第一控制器为工控机；第二控制器为实时控制器板卡；BAMS上，设置有以太网接口和RS485接口；TMS上，设置有CAN BUS接口、RS485接口、干接点输入接口和干接点输出接口。本发明采用双控制器的BMS架构，大大丰富了对外接口，以及提高了BMS的能力。

Description

一种基于双控制器的三级架构的大型储能电池管理系统
技术领域
本发明涉及储能技术领域，特别是涉及一种基于双控制器的三级架构的大型储能电池管理系统。
背景技术
目前，大型的储能电池系统，通常指的是由多个电池簇并联成一个电池堆的系统。这种系统的特点是数据量庞大，该电池系统具有的BMS(电池管理系统)不仅要检测每个电池的电芯数据(温度、电压、电流等)，同时，还要和SCADA(监控系统)、EMS(能量管理系统)、PCS(功率控制系统)进行通讯和逻辑交互；此外，通常的BMS(电池管理系统)又要进行环境的管理，如空调、消防等。
对于一般的BMS(电池管理系统)，都能实现电池管理的基本功能，但是，往往存在和其他设备对接接口不丰富的问题。
此外，一般的BMS(电池管理系统)还存在数据处理或逻辑控制功能不够强大的问题。
发明内容
本发明的目的是针对现有技术存在的技术缺陷，提供一种基于双控制器的三级架构的大型储能电池管理系统。
为此，本发明提供了一种基于双控制器的三级架构的大型储能电池管理系统，包括电池簇管理系统BAMS、辅助管理系统TMS、多个电池簇管理单元BCMU以及多个电池模组管理单元BLMU，其中：
电池簇管理系统BAMS，是第一控制器，通过以太网交换机以及以太网，分别与多个电池簇管理单元BCMU相通讯连接；
辅助管理系统TMS，是第二控制器，通过以太网与电池簇管理系统BAMS相通讯连接；
每个电池簇管理单元BCMU，通过CAN总线，分别与多个电池模组管理单元BLMU相通讯连接；
其中，第一控制器为工控机；
第二控制器为实时控制器板卡；
其中，电池簇管理系统BAMS上，设置有以太网接口和RS485接口；
辅助管理系统TMS上，设置有CAN BUS接口、RS485接口、干接点输入接口和干接点输出接口。
其中，每个电池簇管理单元BCMU，还通过CAN总线，与一个SOC计算和绝缘检测功能板相通信连接。
其中，每个电池模组管理单元BLMU，分别与一个电池模组内安装的电压传感器和温度传感器相连接。
其中，SOC计算和绝缘检测功能板，还与外接的电流传感器和电压传感器相连接。
由以上本发明提供的技术方案可见，与现有技术相比较，本发明提供了一种基于双控制器的三级架构的大型储能电池管理系统，其采用双控制器的BMS架构，大大丰富了对外接口。
此外，本发明通过采用双控制器的BMS架构，大大提高了BMS的能力，除了具备强大的数据处理能力，还具备强大的算法和逻辑控制能力。
本发明的系统，能够结合工控机和实时嵌入式控制器这两个控制器各自具有的优势，合理分工协作，从而更好的管理电池系统。
附图说明
图1为本发明提供的一种基于双控制器的三级架构的大型储能电池管理系统的连接结构示意图。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面结合附图和实施方式对本
参见图1所示，本发明提供了一种基于双控制器的三级架构的大型储能电池管理系统(BMS)，包括电池簇管理系统(BAMS)、辅助管理系统(TMS)、多个电池簇管理单元(BCMU)以及多个电池模组管理单元(BLMU)，其中：
电池簇管理系统(BAMS)，是第一控制器(即主控制器)，通过以太网交换机以及以太网，分别与多个电池簇管理单元(BCMU)相通讯连接；
辅助管理系统(TMS)，是第二控制器，通过以太网与电池簇管理系统(BAMS)相通讯连接；
每个电池簇管理单元BCMU，通过CAN(控制器局域网络)总线，分别与多个电池模组管理单元BLMU相通讯连接；
其中，第一控制器为工控机；
第二控制器为实时控制器板卡；
其中，电池簇管理系统(BAMS)上，设置有以太网接口和RS485接口；
辅助管理系统(TMS)上，设置有CAN BUS接口、RS485接口、干接点输入接口和干接点输出接口。
在本发明中，具体实现上，第一控制器选用工控机，配备较大的内存和存储盘，并可配置显示器；第二控制器选用实时控制器板卡。第一控制器和第二控制器分工协作，进行BMS系统的管理和控制。
在本发明中，具体实现上，每个电池簇管理单元BCMU，还通过CAN总线，与一个SOC计算和绝缘检测功能板(即高压控制单元HVCU，其中SOC为荷电状态值)相通信连接。
需要说明的是，参见图1所示，本发明的大型储能电池管理系统(BMS)，这种BMS系统具有三层架构：第一层是BLMU(模组BMS)层；第二层是BCMU(簇级BMS)层，包括电池簇管理单元BCMU和HVCU(SOC计算和绝缘检测功能板)；第三层是主控层，包括电池簇管理系统(BAMS)和TMS(辅助管理系统)。
在本发明中，具体实现上，本发明的储能电池管理系统(BMS)，具备丰富的通讯和干接点接口，电池簇管理系统BAMS对外，可以提供以太网、RS485等；辅助管理系统TMS，拓展了CAN、RS485通讯接口以及干接点输入接口和干接点输出接口。
需要说明的是，对于本发明，电池簇管理系统BAMS作为主控制器，是作为数据服务器，用来汇总系统批量数据，定时记录数据和事件、图形界面显示，参数设置，执行一些逻辑操作等。
具体实现上，电池簇管理系统BAMS，可以预装桌面系统，例如windows，可以发挥其强大的桌面系统功能。
具体实现上，辅助管理系统TMS作为辅助控制器，和作为主控制器的电池簇管理系统BAMS通过以太网通讯，辅助管理系统TMS用于实时读取电池簇管理系统BAMS的预设关键数据，以及转发电池簇管理系统BAMS的协议和逻辑。
具体实现上，辅助管理系统TMS是一种嵌入式控制器，可以通过模块化图形化方式，设计控制算法和控制逻辑。辅助电池簇管理系统BAMS进行辅助逻辑控制。
具体实现上，辅助管理系统TMS可以通过CAN和RS485接口，转发电池簇管理系统BAMS以太网标准通讯协议，也可转换加工接口协议。
具体实现上，辅助管理系统TMS可以实现干接点的信号检测，也可以通过干接点对外进行紧急信号控制，或者进行充放电逻辑控制，给出禁充禁放信号。
在本发明中，具体实现上，每个电池模组管理单元BLMU，分别与一个电池模组内安装的电压传感器和温度传感器相连接(通过信号线)，用于读取电池模组的电压检测数据和温度检测数据。
需要说明的是，电池模组管理单元BLMU，通过电压传感器和温度传感器，用于实现对电池的电压和温度检测，以及电芯的均衡控制。
在本发明中，具体实现上，SOC计算和绝缘检测功能板(即HVCU)，还与外接的电流传感器和电压传感器相连接，其通过外接的电流传感器和电压传感器，实现对SOC计算和绝缘电阻检测，并通过CAN bus(控制器局域网总线)，实现和电池簇管理单元BCMU的信息数据传递。
为了更加清楚地理解本发明的技术方案，下面结合具体实施例来说明。
参见图1所示，电池模组管理单元BLMU作为模组的BMS，通过布置在电池模组内部的电压传感器和温度传感器，并将其信号通过线束引到BLMU板卡上。BLMU集成微控制器，可以编写程序。
具体实现上，HVCU是高压控制单元，是作为SOC计算和绝缘检测的功能单元，外接电流传感器和电压传感器，其中，电流传感器检测电池簇电流，电压传感器检测电池簇电压。HVCU集成微控制器，可以编写程序。
具体实现上，多个电池模组管理单元BLMU通过CAN bus级联在一起，同时这条CANbus挂接电池簇管理单元BCMU和HVCU，其中，电池簇管理单元BCMU作为上级管理，用于实时读取每个电池模组管理单元BLMU和HVCU的采集和计算信息，也可对其进行控制和参数设定。
具体实现上，电池簇管理系统BAMS、辅助管理系统TMS、电池簇管理单元BCMU通过以太网交换机，用网线连接在一起。可实现相互间的通讯和数据交换。
具体实现上，电池簇管理系统BAMS是工业计算机架构的控制器，对外接有至少两个以太网接口，同时也有RS485、RS232等对外通讯接口，具备一定的和外接设备对接能力。
具体实现上，电池簇管理系统BAMS一般预装Windows桌面系统，BAMS的应用程序是一套windows平台开发的程序。
具体实现上，辅助管理系统TMS是实时嵌入式微控制器架构，对外具有较丰富的通讯接口，例如CAN、RS485、以太网、干接点等。
具体实现上，辅助管理系统TMS通过以太网和电池簇管理系统BAMS传递数据。
具体实现上，辅助管理系统TMS作为辅助控制器，用于实现辅助的控制，实现协议的转发或者再加工，通过自身的通讯接口或干接点对外实现逻辑控制。
在本发明中，需要说明的是，电池簇管理系统(BAMS)、辅助管理系统(TMS)、电池簇管理单元(BCMU)、电池模组管理单元(BLMU)以及HVCU是现有的模块单元，是现有的成品设备，例如，电池簇管理系统(BAMS)可以采用研华公司生产的TPC-1251T型号的工业平板电脑产品；辅助管理系统(TMS)、电池簇管理单元(BCMU)以及电池模组管理单元(BLMU)和HVCU，都可以采用力神动力电池系统有限公司独立自主设计的、现有的嵌入式板卡。
在本发明中，BLMU是电池模组管理单元，用于采集电池模组内部的电池电芯的电压、温度等数据，其集成热管理和电芯均衡管理控制功能，提供对外通讯接口，可以传输数据，接受上级电池簇管理单元BCMU的控制。
在本发明中，HVCU是高压控制单元，主要功能是进行电池簇的绝缘检测，检测电池簇对地的绝缘电阻值，检测电池簇的电流值，计算电池簇的SOC/SOE等，提供对外通讯接口，传输数据，接受上级电池簇管理单元BCMU的控制。
需要说明的是，HVCU主要功能有电流检测、SOC计算和绝缘检测功能。HVCU用于检测电池簇的充放电电流，通过CAN总线接收电池簇管理单元BCMU传输的数据(例如电芯的最大电压和最小电压，电芯的最大温度和最小温度)。根据充放电电流以及电池的电压和温度数据，可以计算出电池簇的SOC。绝缘检测功能是集成在HVCU上，输入信号是电池簇的正极，和负极，以及系统的保护地PE.再应用电桥法，计算出绝缘电阻。
具体实现上，电池簇管理单元BCMU通过CAN总线与HVCU相连接，用于读取电池的充放电电流、SOC和绝缘电阻值。
在本发明中，BCMU，是电池簇管理单元，可以通过通讯总线读取电池模组管理单元BLMU的数据以及HVCU的数据，对电池簇系统进行管理控制，例如，通过提前设置的阈值，分析判断，报出警告或故障，对于严重的故障，可通过切断开关装置进行主动保护，也可通过通讯传出报警信号，关联装置进行相关的保护操作。BCMU还可以作为实时控制单元，对数据进行实时分析处理并可对电池簇进行实时控制。
在本发明中，电池簇管理系统BAMS，是多个电池簇形成的电池堆管理单元，处于电池管理系统BMS的最顶层，可以接收汇总电池簇管理单元BCMU上传的数据，也可对电池簇管理单元BCMU下发控制命令。电池簇管理系统BAMS通过通讯接口可接受外部系统控制。电池簇管理系统BAMS可设置本地和远程两种模式，本地模式不接受外部系统控制，远程模式接受外部控制，本地禁止一些操作。电池簇管理系统BAMS的重要功能有：数据汇总界面展示，报警故障展示，参数设置，事件和历史数据记录，通讯协议集成等；在具体实现上，电池簇管理系统BAMS是以内置操作系统的工业计算机为载体，内置应用软件实现。
需要说明的是，对于本发明，本发明是一种具备丰富的对外接口，强大的数据处理和逻辑控制功能的电池管理系统(BMS)。
对于本发明，工控机(工业计算机)的优点是具有大的内存和存储，数据处理功能强大，适合跑计算机软件；而实时嵌入式控制器的优点是实时性高，适合编写控制算法和控制逻辑。所以单一的一种控制器都有缺点，本发明作为具有两个控制器的BMS系统，第一控制器为工控机，第二控制器为实时嵌入式控制器。因此，本发明的系统，能够结合两个控制器各自的优势，合理分工协作，从而更好的管理电池系统。
与现有技术相比较，本发明提供的基于双控制器的三级架构的大型储能电池管理系统，具有以下的有益技术效果：
1、双控制器的BMS架构，大大提高了BMS的能力，除了具备强大的数据处理能力，还具备强大的算法和逻辑控制能力；双控制器架构大大丰富了对外接口。
2、主控制器BAMS预装桌面系统，可以发挥桌面系统的强大功能。同时TMS可以发挥嵌入式系统的优势。
3、通讯网络简洁高效。
4、通讯接口丰富，很容易扩展，便于和其他系统匹配。
5、BAMS作为主控制器，由于是工业计算机，能够发挥计算机的性能强大的优势，除了安装BMS软件外，还可同时安装其他软件，例如调试软件等，实现就地观测、诊断、调试等。
6、由于BAMS是桌面系统，只要将BAMS联网，能够实现BAMS的远程桌面访问，从而达到远程访问远程诊断和远程调试。
7、TMS可实现备份BAMS关键数据，照搬BAMS的逻辑结果，实现CAN或者RS485接口的转发，也可加工处理成新的接口协议和其他标准的设备对接。
8、TMS是嵌入式控制器，可以方便开发和移植实时控制算法。
9、通过干接点检测和控制，可以实现信号的快速检测和快速控制，使其简单、快速、可靠。
10、BLMU实现了对电池模组的信号的实时监测和控制。
11、HVCU能够实现电池簇SOC计算和电池簇的绝缘检测功能。
综上所述，与现有技术相比较，本发明提供了一种基于双控制器的三级架构的大型储能电池管理系统，其采用双控制器的BMS架构，大大丰富了对外接口。
此外，本发明通过采用双控制器的BMS架构，大大提高了BMS的能力，除了具备强大的数据处理能力，还具备强大的算法和逻辑控制能力。
本发明的系统，能够结合工控机和实时嵌入式控制器这两个控制器各自具有的优势，合理分工协作，从而更好的管理电池系统。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种基于双控制器的三级架构的大型储能电池管理系统，其特征在于，包括电池簇管理系统BAMS、辅助管理系统TMS、多个电池簇管理单元BCMU以及多个电池模组管理单元BLMU，其中：
电池簇管理系统BAMS，是第一控制器，通过以太网交换机以及以太网，分别与多个电池簇管理单元BCMU相通讯连接；
辅助管理系统TMS，是第二控制器，通过以太网与电池簇管理系统BAMS相通讯连接；
每个电池簇管理单元BCMU，通过CAN总线，分别与多个电池模组管理单元BLMU相通讯连接；
其中，第一控制器为工控机；
第二控制器为实时控制器板卡；
其中，电池簇管理系统BAMS上，设置有以太网接口和RS485接口；
辅助管理系统TMS上，设置有CAN BUS接口、RS485接口、干接点输入接口和干接点输出接口。
2.如权利要求1所述的基于双控制器的三级架构的大型储能电池管理系统，其特征在于，每个电池簇管理单元BCMU，还通过CAN总线，与一个SOC计算和绝缘检测功能板相通信连接。
3.如权利要求1或2所述的基于双控制器的三级架构的大型储能电池管理系统，其特征在于，每个电池模组管理单元BLMU，分别与一个电池模组内安装的电压传感器和温度传感器相连接。
4.如权利要求1至3中任一项所述的基于双控制器的三级架构的大型储能电池管理系统，其特征在于，SOC计算和绝缘检测功能板，还与外接的电流传感器和电压传感器相连接。
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