隨著(zhù)低碳可持續發(fā)展的逐步推進(jìn)，對于智能儲能系統的需求量水漲船高。儲能系統可以使太陽(yáng)能、風(fēng)能等可再生能源更好地與電網(wǎng)進(jìn)行整合，幫助電網(wǎng)實(shí)現“削峰填谷”的調控效果。而要實(shí)現儲能系統高效安全運作，提高可再生能源的利用率，則離不開(kāi)內部電池管理系統（BMS）的參與。
不論是集中式儲能系統還是家庭儲能系統，BMS都在其中發(fā)揮了關(guān)鍵作用。來(lái)自GGII（高工產(chǎn)業(yè)研究院）的預測顯示，至2025年，中國儲能BMS市值將達到178億元（含出口海外），年復合增長(cháng)率為47%。而在需求量激增的同時(shí)，儲能系統對于BMS也提出了更高的技術(shù)要求。
圖1：儲能系統工作原理（圖源：www.innoliaenergy.com）
BMS：儲能系統的“大腦”
在儲能系統中，BMS的地位堪稱(chēng)“大腦”。相比常見(jiàn)的BMS概念，儲能系統中BMS的系統架構更為復雜，承載的功能也更多。要實(shí)現儲能系統中高達上百萬(wàn)顆電芯的實(shí)時(shí)監測和均衡管理，絕非易事。
儲能系統的電池系統的組成，自下而上可以分為電芯、電池包、電池簇和電池系統四個(gè)層次。而儲能系統的BMS，通常也根據儲能系統的電池系統架構設計成了從控、主控和總控三級架構。
圖2：儲能BMS的拓撲圖（圖源：huasu-tech）
從控是非�；A的電池管理單元，通常被稱(chēng)為BMU（Battery Management Unit）。BMU負責電池包的管理，一方面要實(shí)時(shí)監測和采集電池包內部的運行信息，包括溫度、電壓、電流、SoC、SoH等；另一方面要實(shí)現電池均衡策略的執行。此外，采集的電池包信息還會(huì )通過(guò)通信鏈路與第二級進(jìn)行通訊。
主控則是在從控的上一層，負責電池簇的管理工作，通常被稱(chēng)為BCU（Battery Cluster management Unit）。BCU一方面實(shí)現對于電池簇的電壓、電流等信息的采集；另一方面負責電池簇之間的均衡策略，同時(shí)還要控制下一級的BMU完成對電池包的信息采集和匯總。一旦檢測到異常信息，BCU可以向出問(wèn)題的電池包所在的BMU下達指令，通過(guò)電池包優(yōu)化器來(lái)將問(wèn)題電池包切出，從而確保電池簇的安全運行。
總控通常被稱(chēng)為BSU（Battery Stack managemnet Unit），也可稱(chēng)為集中管理單元（CMU）。作為更高層級的管理單元，該部分需要綜合來(lái)自?xún)δ芟到y的環(huán)境檢測信息，制定合理的溫控策略，提升電池整體的一致性。同時(shí)還要與外部的溫控系統和消防安全系統實(shí)現互動(dòng)，做到安全問(wèn)題的及時(shí)發(fā)現、有效隔離和合理處理。
總結來(lái)說(shuō)，儲能系統中的BMS通過(guò)多級架構，實(shí)現了對于儲能系統中從電芯到電池包、電池簇的多級狀態(tài)監測與預估、充放電控制、溫度管理、故障檢測、安全保護、數據通信和存儲等一系列的功能。它確保了儲能系統能夠安全高效地儲存從可再生能源轉換而來(lái)的電能，優(yōu)化了內部電池的整體壽命，并且幫助實(shí)現與電網(wǎng)的并網(wǎng)離網(wǎng)高效切換。
儲能系統的BMS，要求更為嚴苛
儲能系統中電池數量眾多，排列較為密集。大規模儲能系統中單個(gè)儲能艙的容量為0.5-2MWh，內部單體電池數量可達數萬(wàn)個(gè)；GWh級別的儲能電站，內部電芯數量則達到了上百萬(wàn)個(gè)。這意味著(zhù)一旦其中一個(gè)電池單體發(fā)生故障產(chǎn)生熱失控，就極易影響周?chē)碾姵匾黄鸢l(fā)生大規模的連鎖反應，造成極大的損失。因此對于儲能系統的BMS，要求比電動(dòng)汽車(chē)中的BMS更為嚴苛。
圖3：BMS的主要功能（圖源：www.integrasources.com）
首先，儲能系統具有深放電、長(cháng)循環(huán)的特點(diǎn)，尤其到電池系統后期，對電池的一致性要求更為敏感。電池的一致性決定了儲能系統循環(huán)壽命的長(cháng)短，也決定了儲能系統每一次充放電深度以及容量。因此，儲能系統對于BMS電池均衡能力要求更高。
另一方面，BMS負責儲能系統全生命周期的管理，保障全生命周期內儲能系統的高效運行，在一定程度上也決定了系統的收益和維護成本。因此也就要求儲能系統的BMS具有自動(dòng)維護的功能。
從安全角度考慮，儲能系統中BMS要具有防環(huán)流的設計，具備極強的抗干擾能力，并且具備更快的數據處理能力、響應速度和通訊能力。只有具備更快的數據采集能力和通訊能力，才能確保在某一電芯出現問(wèn)題的第一時(shí)間就可以實(shí)現快速響應，將問(wèn)題電池組分離。
從多起儲能項目爆炸案例分析來(lái)看，主要來(lái)自幾個(gè)原因，包括電池本體缺陷、過(guò)電壓電流等保護裝置不足、主動(dòng)熱管理不夠以及PCS、BMS、EMS之間協(xié)調做的不夠好等。而如果有足夠可靠智能的BMS，那么這些問(wèn)題都可以提前獲得預警，并通過(guò)一定的技術(shù)手段提前化解。
為了確保儲能系統能夠高效安全地運行，儲能BMS需要進(jìn)行哪些技術(shù)革新？在電芯的監測方面，要做到更多關(guān)鍵參數的更精準分析。除了常見(jiàn)的電壓、溫度和內阻等參數外，還應從多個(gè)維度、采用多種手段研究電池安全性機理，基于精準測量和數值化模型準確預測鋰電池安全性表現，搭建起上萬(wàn)顆電芯的全生命周期管理體系，從而實(shí)現更精準的預測。
在架構革新方面，可以考慮“一簇一管理”的方式，將單個(gè)電池簇與單個(gè)模塊的儲能變流器連接使用，這樣既可以簡(jiǎn)化儲能BMS的架構，又能提高整體工作效率。例如華為從去年開(kāi)始推廣其“一簇一管理”、“一模組一均衡”的BMS架構，包括科華陽(yáng)光、比亞迪等也相繼推出了針對PACK和電池簇的簇均衡器技術(shù)。
儲能BMS中不可忽視的分立器件
提到BMS，首先讓人想到的是其中關(guān)鍵的電源類(lèi)芯片，包括一系列的電池管理IC、AFE、MCU和隔離器等。而其實(shí)像二極管、MOSFET、電阻和阻斷器等分立器件，也在儲能BMS中發(fā)揮了至關(guān)重要的作用。
在每一個(gè)電池組、每一個(gè)電池簇與外部的連接電路中，都會(huì )有二極管的存在，通過(guò)其單向導通的能力來(lái)確保通信接口不受到損壞；同時(shí)在多種電路拓撲中，也都需要二極管的參與。在此我們?yōu)榇蠹彝扑]一款來(lái)自Vishay的二極管器件，非常適用于儲能系統BMS的應用。該器件名為XMC7K24CA XClampR™ TVS二極管，在貿澤電子的具體料號為“XMC7K24CA-M3/H”。
TVS二極管定義
所謂TVS二極管，即瞬態(tài)電壓抑制二極管，是一種保護用的電子零件，可以保護電器設備不受導線(xiàn)引入的電壓尖峰破壞。而XMC7K24CA作為T(mén)VS二極管，相比其他同類(lèi)產(chǎn)品的優(yōu)勢在于其具備高溫穩定性和高可靠性，并且提供了優(yōu)異的性能表現。
該器件的工作電壓可高達24V，存儲溫度范圍為-55°C～175°C，峰值脈沖電流（IPPM）為180A；同時(shí)還具有超低鉗位電壓、低漏電流和7,000W峰值脈沖功率（PPPM）。該二極管可在儲能BMS的傳感器IC、MOSFET、信號線(xiàn)中保護敏感電子產(chǎn)品，使之免受由感性負載開(kāi)關(guān)和照明引起的電壓瞬變影響。
圖4：XMC7K24CA（圖源：Vishay）
在儲能BMS中，另一個(gè)重要的、同樣容易被忽視的分立器件是電阻器。在這里也為大家推薦一款來(lái)自Vishay的厚膜電阻器LTO100H，在貿澤電子的具體料號為“LTO100H2R200JTE3”。
LTO100H是Vishay新推出的厚膜功率電阻器產(chǎn)品，具有高達52J/0.1s脈沖的高能量能力。相比其前代的LTO100電阻器能量能力提高了45%。LTO100H系列是無(wú)感抗的，具有從0.8Ω到4KΩ的寬電阻范圍，符合AEC-Q200標準，能夠在+85°C時(shí)具有高達100W功率能力。該產(chǎn)品廣泛適用于電動(dòng)汽車(chē)和儲能電池管理系統。
圖5：LTO100H（圖源：貿澤電子）
BMS技術(shù)創(chuàng )新和儲能產(chǎn)業(yè)未來(lái)發(fā)展密切相關(guān)
從一定程度上來(lái)看，BMS技術(shù)創(chuàng )新決定了儲能產(chǎn)業(yè)的未來(lái)發(fā)展。從全生命周期的角度來(lái)考慮，采用更先進(jìn)的BMS在長(cháng)期帶來(lái)的收益將會(huì )遠遠高于在初期的一次性投入成本。主動(dòng)均衡技術(shù)、電芯內電化學(xué)感知技術(shù)和基于單體無(wú)線(xiàn)通訊技術(shù)等硬件技術(shù)創(chuàng )新，輔以更高算力和精準的算法模型預測，將會(huì )把儲能產(chǎn)業(yè)的發(fā)展推到新的高度。 |
