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如何设计电池储能系统的大脑——电池管理系统(BMS)

作者:刘伯洵 来源:中国储能网 发布时间:2021-12-20 浏览:

中国储能网讯:电池储能系统的应用范围如今越来越广泛,但面临的市场条件也日益苛刻。电池管理系统开发商Brill Power公司的技术专家对于如何设计和构建确保电池储能系统更长寿命、多功能性和可用性的电池管理系统(BMS)进行了分析与探讨。

电池储能系统的运营和维护需要采用电池管理系统(BMS),电池管理系统(BMS)是电子技术和软件的结合,是电池储能系统的大脑。本文主要关注电池储能系统采用的电池管理系统(BMS)。电池管理系统(BMS)最基本的功能是确保电池保持均衡性和安全性,并将重要信息(如可用容量)传递给用户或连接的电池储能系统。

Brill Power公司正在开发和设计电池管理系统(BMS)硬件  

保持均衡是必要的,因为电池储能系统通常是由数百块甚至是数千块电池组成,每块电池的容量和电阻都略有不同。随着运行时间的推移,这些差异随着每块电池以不同的速率退化而增加。如果电池电压不均衡,很快达到到电池无法使用的程度。

安全性是通过将电池保持在电压、电流、温度的安全操作范围内来保证的,这对锂离子电池来说尤其重要。如果电池过度充电,或在非常低的温度下充电,或在过高的电流或温度下充电,电池就有可能会出现故障,导致火灾或爆炸。  

而诸如可用容量和功率等参数无法直接测量,这意味着电池管理系统(BMS)必须进行计算,它基于对电压、电流和温度的测量进行计算得出的。这种计算被称为状态估计,其计算结果被传递到更高级别的系统,例如用户界面。  

在更详细地了解电池管理系统(BMS)设计的考虑因素之前,有必要了解不同类型的电池管理系统(BMS)和行业需求,这些需求决定了设计的方式。平衡方法通常用于对电池管理系统(BMS)类型进行分类,尽管其他设计方面也扮演着重要的角色,例如状态估计和信息流的不同方法。  

电池状态  

电池有不同的尺寸,这直接关系到它们的容量。例如锂离子电池通常是电池中尺寸最小的电池。锂离子电池的最低电压可低至2.5V(例如磷酸铁锂电池),而最高电压可高达4.3V(例如NMC三元锂电池)。  

电池可以并联连接,以增加电池组的最大电流。并联连接的或串联连接的电池通常被称为超级电池。  

一般来说,并联连接的超级电池的电压可以自我平衡,没有必要进一步管理。而例外情况可能包括像锂硫电池这样的新型电池,以及像磷酸铁锂电池这样在极端充放电速率条件下运行的电荷与电压曲线平坦状态的电池。  

串联连接的超级电池将会提高电池组的电压,这主要应用在高功率应用场景中。

在向电池组配置中添加电池时,储能容量会增加。因此,向超级电池添加并联的电池组将会增加电池组的储能容量,就像将额外的超级电池串联在一起一样。

电池管理系统(BMS)硬件

平衡的方法  

在充电过程结束后,被动平衡通过电阻器将能量(作为热量)耗散,从而使电池的电压一致,而这些能量本应进入充满电的电池。采用这种方法的优点是电子元件成本低。其缺点是流经所有电池的电流都是一致的,这意味着串联的电池组性能最差的电池会影响整个电池组的能量、功率、寿命和安全性。由于性能最差的电池的电流相对其更高,其退化速度将会加快,这也可能导致局部热点,并导致电池组容量下降,甚至出现安全问题。此外,在充电过程中将会浪费电力。被动电池管理系统(BMS)只能监控电池组电流,并在发生故障时能够通过断路开关中断电池组电流。

如果实现双向信息流,系统级参数(如操作设置)可能会更改,以确定电池寿命或性能的优先级。而为了提高电池寿命需要以可用容量或功率为代价减少充放电操作,而提高性能则以减少电池寿命为代价增加充放电操作。

主动平衡通常通过低电流旁路实现,该电路将较低充电电流提供给尚未充满电的电池,而不是将这些能量作为热量耗散。这种方法的主要好处是提高充电效率,如果必须有效地利用可用的充电能量,这一点可能很重要。然而,对于大多数应用场景来说,主动平衡并不能证明组件的成本增加能够带来的好处。与被动平衡一样,性能较差的电池较高的电流加速了电池退化,并可能形成热点。

Brill Power公司开发一种新的电池控制和管理方法获得专利

Brill Power公司是牛津大学分拆的一家公司。他们的研究发现,超级电池的电流需要按电池的自身状况不断调节。这确保了所有可用的能量被充分利用,并且不会减少电池组寿命,并且减缓性能较差的电池退化。  

完全电流控制的安全好处包括通过减少高电阻电池上的电流来避免形成热点,及时断开电池连接及其出现任何可能的故障。这种方法还具有系统级电压调节的好处,这使得电池能够与直流电源(如太阳能发电设施、燃料电池和其他类型的电池)以及直流负载(如电动汽车充电器)直接集成。孤立地看,这种方法的组件成本高于被动平衡的电池管理系统(BMS);但在系统层面来产,其成本低于被动平衡的电池管理系统(BMS)。  

降低电池储能系统成本的方法是给定的性能情况下减少电池尺寸,并避免采用额外的硬件(例如DC/DC转换器或逆变器)。根据Brill Power公司的分析,通过延长电池寿命,可以使总拥有成本降低60%。  

电池管理系统(BMS)技术的其他方法还包括级联单元旁路和逆变器集成,但由于它们的适用性有限,在此不作进一步讨论。

不同电池管理系统(BMS)类型的简要说明  

状态估计  

充电状态(SoC)和健康状况(SoH)的估计基于电池模型和估计算法的组合。状态估计和电池底层模型可能达到的复杂度和准确性水平在很大程度上取决于硬件,在这里使用硬件来区分不同的方法。

集成电路(IC)用于大多数传统电池管理系统(BMS)的状态估计。集成电路是“硬连线”与特定的电池模型和状态估计算法。集成电路的优点是成本低,缺点是系统设计的灵活性和准确性有限。而这些缺点往往会随着时间的推移而变得更糟。设计的灵活性受到限制是因为集成电路通常是为具有特定规格的特定电池创建的。  

如果电池种类或规格发生改变,集成电路(IC)也需要改变和设计适应。其测量精度有限和不断退化的原因是:(1)集成电路的状态估计是基于电池的一般化表示,没有捕捉电池的细微热力学和动力学特性,这些特性可能因电池制造商、规格和批次而有所不同,即使是采用相同的电解质;(2)集成电路有限的计算能力限制了状态估计算法和底层电池模型的复杂性和保真度;(3)电池特性随时间变化,而硬连线集成电路算法无法捕获这些特性,导致随着时间的推移越来越不准确。

而微处理器可以使用更复杂、更高保真的电池模型和状态估计算法进行编程,这些模型和算法可以根据特定的电池特性和规格进行微调。通过更新状态估计算法和电池模型的参数,可以适应不断变化的电池特性,从而使电力输出随着时间的推移更加精确。这些硬件可用于任何类型的电池,从而实现终极设计灵活性。其缺点可能是组件成本较高,这取决于所需的功能和计算能力。

信息流  

单向信息流在大多数电池储能系统中很常见:参数信息从电池管理系统(BMS)流向更高级别的系统和用户界面。如果电池制造商提供电池管理系统(BMS),则可获得的低级信息较少,因为这些信息可能被视为敏感信息。但最重要的信息是与安全和性能相关的信息,包括充电状态(SoC)和健康状况(SoH)等指标。

如果使用微控制器,电池管理系统(BMS)可以处理输入参数,例如更改操作设置(例如最大和最小允许电池电压或SoC,甚至更新电池模型或状态估计算法,以保持其准确性,因此实现双向信息流是可能的。  

电池管理系统(BMS)的设计与开发  

一旦确定了合适的电池管理系统(BMS)类型,就可以开始进行设计和开发。电池管理系统(BMS)设计中最重要的因素是团队和专业知识。  

传统上,电池管理系统(BMS)设计一直是电气工程师的技术领域,他们确实是设计电路的最佳人选,但通常不太了解电池的内部工作原理。而设计完美的电池管理系统(BMS)需要电化学、物理、电气和电子工程、固件开发和数据科学方面的知识和技术。  

有了合适的团队,首先要考虑的是遵守法规和行业标准,因为这对硬件和软件设计都有影响。一些法规和标准通常是特定于国家和地区的。  

虽然大多数法规和标准适用于电池储能系统,但有些法规适用于所有电子部件,包括有害物质法规,如欧洲的RoHS和REACH指令。相关行业标准主要依赖于应用场合和系统规范。其典型的区别是住宅和工业储能,以及采用的是低电压还是高电压。  

相关的工业储能系统标准包括IEC62619、UL1973、UL9549和VDE-AR-E2510-50。产品和功能的安全是这些标准中最重要的方面。虽然电池管理系统(BMS)不需要作为独立组件进行认证,但它不能阻止电池储能系统获得认证。因此,建议由独立的测试和认证机构(如DNV)对未来的标准符合性进行测试和评估。  

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