如何設(shè)計電池儲能系統(tǒng)的大腦——電池管理系統(tǒng)(BMS)

電池儲能系統(tǒng)的應(yīng)用范圍如今越來越普遍，但面臨的市場條件也日益苛刻。電池管理系統(tǒng)開發(fā)商上海逸威電子設(shè)備有限公司的技術(shù)專家對于如何設(shè)計和構(gòu)建確保電池儲能系統(tǒng)更長壽命、多功能性和可用性的電池管理系統(tǒng)（BMS）進(jìn)行了分析與探討。

電池儲能系統(tǒng)的運營和維護(hù)需要采用電池管理系統(tǒng)(BMS)，電池管理系統(tǒng)(BMS)是電子技術(shù)和軟件的結(jié)合，是電池儲能系統(tǒng)的大腦。本文主要關(guān)注電池儲能系統(tǒng)采用的電池管理系統(tǒng)(BMS)。電池管理系統(tǒng)(BMS)基本的功能是確保電池保持均衡性和安全性，并將重要信息(如可用容量)傳遞給用戶或連接的電池儲能系統(tǒng)。

保持均衡是必要的，因為電池儲能系統(tǒng)通常是由數(shù)百塊甚至是數(shù)千塊電池組成，每塊電池的容量和電阻都略有不同。隨著運行時間的推移，這些差異隨著每塊電池以不同的速率退化而增加。如果電池電壓不均衡，很快達(dá)到到電池?zé)o法使用的程度。

安全性是通過將電池保持在電壓、電流、溫度的安全操作范圍內(nèi)來保證的，這對鋰離子電池來說尤其重要。如果電池過度充電，或在非常低的溫度下充電，或在過高的電流或溫度下充電，電池就有可能會出現(xiàn)故障，導(dǎo)致火災(zāi)。 

而諸如可用容量和功率等參數(shù)無法直接測量，這意味著電池管理系統(tǒng)(BMS)必須進(jìn)行計算，它基于對電壓、電流和溫度的測量進(jìn)行計算得出的。這種計算被稱為狀態(tài)估計，其計算結(jié)果被傳遞到更高級別的系統(tǒng)，例如用戶界面。 

在更詳細(xì)地了解電池管理系統(tǒng)(BMS)設(shè)計的考慮因素之前，有必要了解不同類型的電池管理系統(tǒng)(BMS)和行業(yè)需求，這些需求決定了設(shè)計的方式。平衡方法通常用于對電池管理系統(tǒng)(BMS)類型進(jìn)行分類，盡管其他設(shè)計方面也扮演著重要的角色，例如狀態(tài)估計和信息流的不同方法。 

電池狀態(tài)  

電池有不同的尺寸，這直接關(guān)系到它們的容量。例如鋰離子電池通常是電池中尺寸更小的電池。鋰離子電池的更低電壓可低至2.5V(例如磷酸鐵鋰電池)，而更高電壓可高達(dá)4.3V（例如NMC三元鋰電池）。 

電池可以并聯(lián)連接，以增加電池組的更大電流。并聯(lián)連接的或串聯(lián)連接的電池通常被稱為超級電池。 

一般來說，并聯(lián)連接的超級電池的電壓可以自我平衡，沒有必要進(jìn)一步管理。而例外情況可能包括像鋰硫電池這樣的新型電池，以及像磷酸鐵鋰電池這樣在極端充放電速率條件下運行的電荷與電壓曲線平坦?fàn)顟B(tài)的電池。 

串聯(lián)連接的超級電池將會提高電池組的電壓，這主要應(yīng)用在高功率應(yīng)用場景中。

在向電池組配置中添加電池時，儲能容量會增加。因此，向超級電池添加并聯(lián)的電池組將會增加電池組的儲能容量，就像將額外的超級電池串聯(lián)在一起一樣。

電池管理系統(tǒng)(BMS)硬件

平衡的方法  

在充電過程結(jié)束后，被動平衡通過電阻器將能量（作為熱量）耗散，從而使電池的電壓一致，而這些能量本應(yīng)進(jìn)入充滿電的電池。采用這種方法的優(yōu)點是電子元件成本低。其缺點是流經(jīng)所有電池的電流都是一致的，這意味著串聯(lián)的電池組性能更差的電池會影響整個電池組的能量、功率、壽命和安全性。由于性能更差的電池的電流相對其更高，其退化速度將會加快，這也可能導(dǎo)致局部熱點，并導(dǎo)致電池組容量下降，甚至出現(xiàn)安全問題。此外，在充電過程中將會浪費電力。被動電池管理系統(tǒng)(BMS)只能監(jiān)控電池組電流，并在發(fā)生故障時能夠通過斷路開關(guān)中斷電池組電流。

如果實現(xiàn)雙向信息流，系統(tǒng)級參數(shù)（如操作設(shè)置）可能會更改，以確定電池壽命或性能的優(yōu)先級。而為了提高電池壽命需要以可用容量或功率為代價減少充放電操作，而提高性能則以減少電池壽命為代價增加充放電操作。

主動平衡通常通過低電流旁路實現(xiàn)，該電路將較低充電電流提供給尚未充滿電的電池，而不是將這些能量作為熱量耗散。這種方法的主要好處是提高充電效率，如果必須有效地利用可用的充電能量，這一點可能很重要。然而，對于大多數(shù)應(yīng)用場景來說，主動平衡并不能證明組件的成本增加能夠帶來的好處。與被動平衡一樣，性能較差的電池較高的電流加速了電池退化，并可能形成熱點。

通過研究發(fā)現(xiàn)，超級電池的電流需要按電池的自身狀況不斷調(diào)節(jié)。這確保了所有可用的能量被充分利用，并且不會減少電池組壽命，并且減緩性能較差的電池退化。 

完全電流控制的安全好處包括通過減少高電阻電池上的電流來避免形成熱點，及時斷開電池連接及其出現(xiàn)任何可能的故障。這種方法還具有系統(tǒng)級電壓調(diào)節(jié)的好處，這使得電池能夠與直流電源(如太陽能發(fā)電設(shè)施、燃料電池和其他類型的電池)以及直流負(fù)載(如電動汽車充電器)直接集成。孤立地看，這種方法的組件成本高于被動平衡的電池管理系統(tǒng)(BMS)；但在系統(tǒng)層面來產(chǎn)，其成本低于被動平衡的電池管理系統(tǒng)(BMS)。 

降低電池儲能系統(tǒng)成本的方法是給定的性能情況下減少電池尺寸，并避免采用額外的硬件（例如DC/DC轉(zhuǎn)換器或逆變器）。根據(jù)分析，通過延長電池壽命，可以使總擁有成本降低60%。 

電池管理系統(tǒng)(BMS)技術(shù)的其他方法還包括級聯(lián)單元旁路和逆變器集成，但由于它們的適用性有限，在此不作進(jìn)一步討論。

不同電池管理系統(tǒng)(BMS)類型的簡要說明

狀態(tài)估計 

充電狀態(tài)（SoC）和健康狀況（SoH）的估計基于電池模型和估計算法的組合。狀態(tài)估計和電池底層模型可能達(dá)到的復(fù)雜度和準(zhǔn)確性水平在很大程度上取決于硬件，在這里使用硬件來區(qū)分不同的方法。

集成電路（IC）用于大多數(shù)傳統(tǒng)電池管理系統(tǒng)(BMS)的狀態(tài)估計。集成電路是“硬連線”與特定的電池模型和狀態(tài)估計算法。集成電路的優(yōu)點是成本低，缺點是系統(tǒng)設(shè)計的靈活性和準(zhǔn)確性有限。而這些缺點往往會隨著時間的推移而變得更糟。設(shè)計的靈活性受到限制是因為集成電路通常是為具有特定規(guī)格的特定電池創(chuàng)建的。 

如果電池種類或規(guī)格發(fā)生改變，集成電路（IC）也需要改變和設(shè)計適應(yīng)。其測量精度有限和不斷退化的原因是：（1）集成電路的狀態(tài)估計是基于電池的一般化表示，沒有捕捉電池的細(xì)微熱力學(xué)和動力學(xué)特性，這些特性可能因電池制造商、規(guī)格和批次而有所不同，即使是采用相同的電解質(zhì)；（2）集成電路有限的計算能力限制了狀態(tài)估計算法和底層電池模型的復(fù)雜性和保真度；（3）電池特性隨時間變化，而硬連線集成電路算法無法捕獲這些特性，導(dǎo)致隨著時間的推移越來越不準(zhǔn)確。

而微處理器可以使用更復(fù)雜、更高保真的電池模型和狀態(tài)估計算法進(jìn)行編程，這些模型和算法可以根據(jù)特定的電池特性和規(guī)格進(jìn)行微調(diào)。通過更新狀態(tài)估計算法和電池模型的參數(shù)，可以適應(yīng)不斷變化的電池特性，從而使電力輸出隨著時間的推移更加精確。這些硬件可用于任何類型的電池，從而實現(xiàn)設(shè)計靈活性。其缺點可能是組件成本較高，這取決于所需的功能和計算能力。

信息流  

單向信息流在大多數(shù)電池儲能系統(tǒng)中很常見：參數(shù)信息從電池管理系統(tǒng)(BMS)流向更高級別的系統(tǒng)和用戶界面。如果電池制造商提供電池管理系統(tǒng)(BMS)，則可獲得的低級信息較少，因為這些信息可能被視為敏感信息。但更重要的信息是與安全和性能相關(guān)的信息，包括充電狀態(tài)（SoC）和健康狀況（SoH）等指標(biāo)。

如果使用微控制器，電池管理系統(tǒng)(BMS)可以處理輸入?yún)?shù)，例如更改操作設(shè)置(例如更大和更小允許電池電壓或SoC，甚至更新電池模型或狀態(tài)估計算法，以保持其準(zhǔn)確性，因此實現(xiàn)雙向信息流是可能的。 

電池管理系統(tǒng)(BMS)的設(shè)計與開發(fā)  

一旦確定了合適的電池管理系統(tǒng)(BMS)類型，就可以開始進(jìn)行設(shè)計和開發(fā)。電池管理系統(tǒng)(BMS)設(shè)計中更重要的因素是團(tuán)隊和專業(yè)知識。 

傳統(tǒng)上，電池管理系統(tǒng)(BMS)設(shè)計一直是電氣工程師的技術(shù)領(lǐng)域，他們確實是設(shè)計電路的更好人選，但通常不太了解電池的內(nèi)部工作原理。而設(shè)計完美的電池管理系統(tǒng)(BMS)需要電化學(xué)、物理、電氣和電子工程、固件開發(fā)和數(shù)據(jù)科學(xué)方面的知識和技術(shù)。 

有了合適的團(tuán)隊，首先要考慮的是遵守法規(guī)和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，因為這對硬件和軟件設(shè)計都有影響。一些法規(guī)和標(biāo)準(zhǔn)通常是特定于國家和地區(qū)的。 

雖然大多數(shù)法規(guī)和標(biāo)準(zhǔn)適用于電池儲能系統(tǒng)，但有些法規(guī)適用于所有電子部件，包括有害物質(zhì)法規(guī)，如歐洲的RoHS和REACH指令。相關(guān)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)主要依賴于應(yīng)用場合和系統(tǒng)規(guī)范。其典型的區(qū)別是住宅和工業(yè)儲能，以及采用的是低電壓還是高電壓。 

相關(guān)的工業(yè)儲能系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)包括IEC62619、UL1973、UL9549和VDE-AR-E2510-50。產(chǎn)品和功能的安全是這些標(biāo)準(zhǔn)中重要的方面。雖然電池管理系統(tǒng)(BMS)不需要作為單獨組件進(jìn)行認(rèn)證，但它不能阻止電池儲能系統(tǒng)獲得認(rèn)證。因此，建議由單獨的測試和認(rèn)證機(jī)構(gòu)(如DNV)對未來的標(biāo)準(zhǔn)符合性進(jìn)行測試和評估。

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