基于状态机的大型储能系统电池通信实现

基于状态机的大型储能系统电池通信实现

陆乐

上海电力大学 经济与管理学院  上海市浦东新区  200000

摘要：对于大型高压储能系统如何克服高达1500V的电池组间电位势垒和各种噪声实现可靠的电池组之间得通信，是大型高压储能系统亟待解决的核心技术问题，传统系统一般采用CAN总线和485总线配合CPU跑相应的软件来实现，本文拟通过纯硬件方式采用硬件状态机加菊花链方式实现，无需使用CPU，保证电池的一致性。

关键词：状态机，电池组间电位势垒，菊花链，485，CAN

1 引言

随着我国开启全面建设社会主义现代化国家新征程,实现碳达峰、碳中和,当前储能技术在整个能源领域显得越来越重要。当成本和技术不断突破拐点，多种应用场景不断落地，磷酸铁锂电池路线的储能应用正在展现其在未来能源市场中的重要价值。可是，近年来韩国储能电站事故频发，国内梯次利用电池电站几次严重火灾，也为储能系统在电力行业的大规模应用蒙上了一层阴影。归根结底，对于大型高压储能电池应用而言，目前的电池管理技术还存在一些尚未完全解决的技术障碍。如何在高压储能电池模组之间实现可靠的通信就是目前主要的技术障碍之一。

对于高压储能系统，电池包之间往往需要克服高达1500V的不共地电压,实现相互之间可靠并且高速地通行。目前高压储能系统克服极高的共模电压和复杂的电气噪声环境的解决方案,一般是采用隔离CANbus 链路或者隔离485链路来解决这个问题。隔离485和隔离最大的可靠通信的不共地电压高达2500V,的确可以满足系统的要求,但是这两种技术却引入了新的问题--功耗导致的电池包之间容量不平衡.由于485和CAN通信的底层电气规约设计,导致这两种通信链路需要由上层复杂的通信协议来实现通信的可靠性,485链路一般采用MODBUS通信协议,CAN链路一般采用CANopen，J 1939等协议。这几种协议的复杂性导致在电池管理系统中实现他们必须要有巨大的运算资源支撑。因此往往每个电池包需要额外的增加DCDC电源，MCU处理器。而由于这些协议往往采用软件实现。因此不可能保证每个电池包这些增加的功耗部分完全一致，随着储能系统长期的运行，这些微小的功耗差异最终导致电池模块之间容量的巨大不平衡，影响到整个系统的效率和安全性。

为了解决这个问题，该文尝试使用了的纯硬件状态机实现菊花链通信链路。菊花链通信之前主要应用于工业多路数据采集领域，这种链路首先电气极为简单，只需要两根普通双绞线就可以实现设备间的通信，其次他的通信逻辑也极为简单，完全可以通过简单的硬件状态机就可以实现。不依赖额外的CPU和计算资源。更重要的一方面,菊花链还可以通过小型变压器级联的方式克服不共地电压并实现很高的通信带宽.

2 菊花链链路的工作原理

菊花链链路嵌是一种串行接口，用于连接的设备之间传输数据。串行串行外围接口（SPI）是一种串行通信接口，多个电池包之间之间提供同步的数据传输。在菊花链链路协议中，主设备产生一个时钟信号（SCLK），一个选择信号（nSCS）和一个串行数据输出（SDO）信号（例如，传输到外围设备的数据）三个信号，所有从设备在串行数据输入（SDI）引脚上接收数据信号。(SDI)引脚用来让主设备到外围设备SDI的数据信号与时钟信号同步。而选择信号nSCS是有效有效时，从设备可以将数据送回给主设备。

菊花链的通信链路电气硬件上比较类似485链路也是通过一对平衡线对传送差分信号来实现信号的传送。这种平衡差分的技术可以完美的克服两条线上的共模噪声。同时还方便接入变压器实现器件之间的直流信号隔离，解决系统共模电压摆幅的影响，并且跨越介电质势垒实现信号传送。

图1 菊花链通信拓扑

菊花链时序逻辑

菊花链的差分信号通过变压器耦合后，可以这地隔绝直流分量,而不损失信号的宽度、极性和时序。通过（BCI）干扰测试显示，在200mA BCI 注入情况下，菊花链隔离SPI 仍然可以维持模块间正常通行通信，而且变压器既保证了电气隔离还相比于隔离CAN和隔离485省掉了昂贵的高速光耦可以显著降低成本。

3 用菊花链在大型储能系统应用中的场景

3.1降低复杂性

一般电池电压采集通过一个ADC数模转换器和一个多路高速模拟开关配合实现，也有很多公司推出了集成的模拟前端（AFE）芯片，例如我们使用的ADI公司LTC6811构成一个单电池模块的BMS。

传统多储能模块间的互联使用隔离CAN链路连至一个CPU。图2显示了隔离CAN(485)和菊花链拓扑之间的差异,隔离CAN(485)需要使用额外的MCU加光或磁隔离器实现通信,菊花链直接通过变压器,即可实现不再需要额外的MCU.

图2传统通信链路VS隔离SPI通信链路

图2（b）该电路在功能上是相同的，但用菊花链SPI通信接口实现。菊花链使用了一个小型、低成本的电子开关变压器取代了光耦隔离（在大部分应用中变压器成本不足1元），用来客服主处理器组件与电池组电位之间形成电气高压。

3.2 通过菊花链多点通信实现电池包之间的即插即用  

菊花链另外一个特点是串联通信,在点对点的情况下菊花链可以可靠的工作,在储能的应用场景下多个电池包相互之间多点通信,由于菊花链的串联通信的特点,可以通过发送数据的的先后顺序来判断电池包在整个储能电池簇的相对位置.而采用485和CAN总线,为了获得电池包在整个系统中的相对位置,都需要电池包在安装之前就进行地址的分配和设定.因此菊花链的这一特点让电池包在大型储能应用中即插即用安装成为了可能.极大地降低了大型储能系统安装和后期运维的成本.

3.3.通过菊花链高压储能模块化实现能源网格

菊花链另一个优势是在于其在分布式储能中的应用.在点对点菊花链式配置中，可以使用长距离裸露配线。一般的大型储能系统一般采用主机和从机的三层式通信架构。而菊花链的这种长距离优势允许采用更加简洁的两层式架构即可完成大型储能系统的电池通信和管理.并且这种结构本身的耦合可以变得很非常松散和复用弹性.电池组与组之间的拓扑可以根据主站的指令在很短时间内实现组合为临时的一个能源分布式网格节点运行。电网需求多大的电能,系统就能自动分配电量最大的电池包组合生成新的网格,提供所需要的电力

图4基于隔离菊花链的能源网格

4菊花链隔离SPI通信技术应用难点与思考

4.1应用难点

当前储能标准规范UN383.IEC62619等一系列规范要求越来越严格,对于一些高可用性的储能应用,采用双储能备份冗余成为备选之一，通过菊花链通信技术,我们可以简便地按照需要给菊花链隔离SPI 网络挂载新的备份储能模块。而在这之前，增加备份储能模块是极为昂贵和系统工程。另外，采用网格方式后，节点内部还可以实现多处理器冗余，在一个甚至多个处理器失效的情况下保证节点的正常运行，不会对模块封装造成大的影响。

4.2相关建议

通过对目前市场高压储能通信技术的深入研究提出了一种新型的行之有效的数据通信技术——菊花链隔离SPI 通信。为高压储能应用的电池管理提供了一种简便可靠又具备极大扩展性的方法。菊花链技术仅仅通过两条差分线配合隔离变压器，并且不需要额外的CPU软，可以大幅提升电池管理的可靠性,成本,安全性，从而提升整个大型储能系统电池管理效率。同时，该通信链路强大的扩展能力使实现储能网格化也成为一种非常容易实现的可能。

参考文献

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[2] 陈金干,袁永军,戴海峰.电池管理系统菊花链通讯仿真[J],电子测试.2020,09:48-51

[3] 孙波.动力锂电池组能量管理系统的设计与研究[D],西南大学，2013,05