白慶華,王健雁,周亞鵬

(招商局檢測(cè)車(chē)輛技術(shù)研究院有限公司,重慶 401122)

0 引言

隨著“雙碳”目標(biāo)的大力推進(jìn),以電化學(xué)儲(chǔ)能為主的儲(chǔ)能技術(shù)得到快速發(fā)展,而對(duì)于電化學(xué)儲(chǔ)能電站而言,電池管理系統(tǒng)(BMS)作為儲(chǔ)能電站最核心的組成部分,是電池模組與外界設(shè)備信息交互的橋梁,能實(shí)時(shí)采集、存儲(chǔ)、處理電池在充放電過(guò)程中的各項(xiàng)重要信息,并與外界進(jìn)行交換,及時(shí)發(fā)出報(bào)警信號(hào)并作出保護(hù)措施。電池管理系統(tǒng)的性能對(duì)儲(chǔ)能電站的使用成本、效率、安全等方面起到至關(guān)重要的作用。因此,對(duì)儲(chǔ)能電站電池管理系統(tǒng)展開(kāi)研究對(duì)儲(chǔ)能行業(yè)的發(fā)展具有重要意義。

1 電池管理系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)及原理

電池管理系統(tǒng)是電池儲(chǔ)能系統(tǒng)的核心子系統(tǒng)之一,主要通過(guò)檢測(cè)每個(gè)單體電池的工作狀態(tài)進(jìn)而確定整個(gè)儲(chǔ)能系統(tǒng)的工作情況,并且根據(jù)采集到的各項(xiàng)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理,實(shí)施相應(yīng)的調(diào)整策略,從而保證儲(chǔ)能電池系統(tǒng)的正常運(yùn)行。儲(chǔ)能電站用的電池管理系統(tǒng)硬件主要由從控(BMU)、主控(BCU)、總控(BAU)以及相關(guān)的線(xiàn)束組成[1]。如圖1所示為典型的儲(chǔ)能電站電池管理系統(tǒng)的三級(jí)架構(gòu)。

圖1 典型儲(chǔ)能電站電池管理系統(tǒng)三級(jí)構(gòu)架

從控(BMU):通常安裝在電芯模組附近,就近安裝,便于對(duì)電池模組的電壓和溫度進(jìn)行采集。

主控(BCU):大多安裝在高壓箱內(nèi)部,對(duì)電池簇輸出的高壓信號(hào)進(jìn)行控制。

總控(BAU):通常安裝在集裝箱配電柜中,對(duì)電池信息進(jìn)行匯總。

電池管理系統(tǒng)通過(guò)從控連接到每一個(gè)單體電芯,進(jìn)行數(shù)據(jù)采集,然后將相關(guān)的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳遞給主控,隨即主控進(jìn)行數(shù)據(jù)的處理分析,進(jìn)而根據(jù)分析結(jié)果下發(fā)相應(yīng)的指令,控制相應(yīng)的功能模塊,以達(dá)到儲(chǔ)能電池系統(tǒng)安全高效運(yùn)行的狀態(tài)[2]。另外,總控根據(jù)主控和從控反饋的信息進(jìn)行匯總,對(duì)外進(jìn)行信息交互。

2 電池管理系統(tǒng)功能概述

本文對(duì)國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀調(diào)研后發(fā)現(xiàn),目前儲(chǔ)能電站的BMS主要功能有:電池參數(shù)的檢測(cè)、電池的通信連接、電池狀態(tài)的估計(jì)、熱管理等[3]。

2.1 電池參數(shù)的檢測(cè)

在電池管理系統(tǒng)中,電池參數(shù)的檢測(cè)至關(guān)重要,電池參數(shù)主要包括單體電壓、單體溫度、總電流等。本文對(duì)電池管理系統(tǒng)采集到參數(shù)的準(zhǔn)確性、及時(shí)性提出較高的要求,因?yàn)樗鼪Q定了整個(gè)系統(tǒng)工作的穩(wěn)定性。例如,電池溫度對(duì)其性能表現(xiàn)、循環(huán)壽命以及安全性都有較大的影響。因此,需要對(duì)電池的溫度進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè),及時(shí)發(fā)現(xiàn)溫度異常并進(jìn)行過(guò)溫欠溫、熱管理系統(tǒng)啟動(dòng)、功率限制等處理。單體電壓的檢測(cè)也是為了避免出現(xiàn)單體過(guò)欠壓的情況發(fā)生。在實(shí)際應(yīng)用儲(chǔ)能電站的電池管理系統(tǒng)中,需采集每一個(gè)單體電芯的電壓,如圖2所示。而溫度一般每?jī)蓚€(gè)單體電芯設(shè)置一個(gè)溫度點(diǎn),為了減小線(xiàn)束的復(fù)雜程度,一般會(huì)使兩個(gè)溫度點(diǎn)共用一個(gè)采樣地線(xiàn)[4],如圖3所示。

圖2 每個(gè)電池設(shè)置一個(gè)采壓線(xiàn)

圖3 12串6個(gè)溫度點(diǎn)的應(yīng)用

2.2 電池狀態(tài)估計(jì)

為表征電池系統(tǒng)的整體狀態(tài),儲(chǔ)能系統(tǒng)通常使用荷電狀態(tài)以及健康狀態(tài)對(duì)電池進(jìn)行狀態(tài)表征。SOC估算是通過(guò)系統(tǒng)的采集功能,對(duì)采集到的電池電壓、溫度、電流等信號(hào),進(jìn)行當(dāng)前荷電狀態(tài)的估算。目前,SOC估算的方法有安時(shí)積分法、內(nèi)阻法、開(kāi)路電壓法等[5]。

內(nèi)阻測(cè)量法是采用不同頻率的交流來(lái)激勵(lì)電池,測(cè)得電池的交流電阻,從而通過(guò)電池內(nèi)阻與SOC的關(guān)系獲得電池的SOC,但由于電池的交流內(nèi)阻隨SOC的變化很小,且溫度對(duì)于內(nèi)阻的影響較大,因此存在較大的誤差。

安時(shí)積分法則是通過(guò)實(shí)時(shí)測(cè)量電池模組內(nèi)主回路的電流,并將其對(duì)時(shí)間進(jìn)行積分。該方法由于要涉及初始SOC,且該值無(wú)法直接獲得,與此同時(shí),由于電流的采樣有一定的間歇性,且采樣值也與采樣時(shí)間段的平均值有差距,所以安時(shí)積分法長(zhǎng)時(shí)間積累會(huì)導(dǎo)致誤差越大。

開(kāi)路電壓法是依據(jù)鋰離子電池開(kāi)路電壓與其荷電狀態(tài)有明確的對(duì)應(yīng)關(guān)系。因此,在離線(xiàn)狀態(tài)下獲得不同溫度開(kāi)路電壓與荷電狀態(tài)的對(duì)應(yīng)值。但這種方法必須要在回路斷開(kāi)的情況下,且斷開(kāi)后要靜置一段時(shí)間,因此,不能實(shí)現(xiàn)在線(xiàn)測(cè)量。

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展,有許多新的狀態(tài)估計(jì)方法涌現(xiàn),例如卡爾曼濾波法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法、模糊推斷算法等[6]。這些新的算法優(yōu)點(diǎn)在于模型的精度通過(guò)自適應(yīng)在不斷提高,且對(duì)初始的SOC值誤差不敏感。

2.3 熱管理

目前,儲(chǔ)能電站的熱管理方式主要有風(fēng)扇冷卻、液體冷卻等。風(fēng)扇廣泛應(yīng)用于風(fēng)冷電池箱,可根據(jù)負(fù)荷、環(huán)境溫度等進(jìn)行風(fēng)速調(diào)節(jié)、開(kāi)關(guān)調(diào)節(jié)。風(fēng)冷具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低、易維護(hù)等優(yōu)點(diǎn),但也存在散熱速率低,均溫性較差等缺點(diǎn),適用于串聯(lián)單體電池?cái)?shù)較少、產(chǎn)熱率較低的電池簇,一般應(yīng)用于16串的模組。液體冷卻一般采用乙二醇水溶液,其散熱效率較高,適用于能量密度大的電池簇,但其成本較高,也存在冷卻液泄漏的風(fēng)險(xiǎn)。

2.4 電池管理系統(tǒng)的通信功能

總控、主控、從控可以使用不同的通信方式進(jìn)行信息間的交互,從控可通過(guò)使用菊花鏈的方式與主控完成通信,實(shí)現(xiàn)單體電壓、溫度的傳輸,對(duì)于風(fēng)冷系統(tǒng),可以使用485的通信協(xié)議對(duì)風(fēng)扇進(jìn)行控制等。而主控和總控由于既要向上傳遞信息,又要向下發(fā)出指令。因此,可支持CAN通信、485通信、以太網(wǎng)、菊花鏈等方式進(jìn)行信息的交互。

2.5 電池管理系統(tǒng)的故障

不同的電池管理系統(tǒng)有不同的故障告警等級(jí)[7],一般來(lái)說(shuō)分為3類(lèi):一級(jí)警告,即嚴(yán)重警告,需立即切斷繼電器;二級(jí)警告,即中度警告,儲(chǔ)能變流器待機(jī)禁止充放電;三級(jí)警告,即輕微故障,請(qǐng)求降功率。涉及的故障有總壓過(guò)低過(guò)高、單體過(guò)低過(guò)高、單體壓差過(guò)大、單體溫度過(guò)低過(guò)高、電芯溫差過(guò)大、充放電流過(guò)大、絕緣電阻過(guò)低等。電池管理系統(tǒng)會(huì)根據(jù)不同的故障及故障等級(jí)作出相應(yīng)的處理措施。

3 發(fā)展趨勢(shì)

目前,全球新能源發(fā)電產(chǎn)業(yè)正在蓬勃發(fā)展,儲(chǔ)能產(chǎn)業(yè)借此機(jī)會(huì)得到了很好的發(fā)展契機(jī),但目前電池管理系統(tǒng)還存在一些不足,還需要進(jìn)一步研究。本文通過(guò)調(diào)研,認(rèn)為未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)著重在3個(gè)方面。

(1)未來(lái)主要發(fā)展分布式BMS。集中式BMS雖具有成本低,結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單等特點(diǎn),但目前大多是大型的儲(chǔ)能電站,集中式BMS限制較多,而分布式將功能分布在不同模塊中,大大提高了整個(gè)儲(chǔ)能系統(tǒng)的靈活性。

(2)發(fā)展高精度算法。目前,儲(chǔ)能電站的電池管理系統(tǒng)大多還采用相對(duì)比較老舊的安時(shí)積分法、開(kāi)路電壓法等方式估算電池SOC。這些方法存在準(zhǔn)確度不高等問(wèn)題,需要開(kāi)發(fā)出高精度算法,對(duì)電池狀態(tài)以及故障診斷、保護(hù)等方面進(jìn)行提升,提高整個(gè)系統(tǒng)工作的穩(wěn)定性。

(3)儲(chǔ)能BMS架構(gòu)改革。采用模塊化的儲(chǔ)能BMS架構(gòu),將單個(gè)模塊的儲(chǔ)能變流器連接使用,此時(shí)BMS只需要兩層架構(gòu),而不再是目前常用的3層架構(gòu),一簇一管理,節(jié)省成本的同時(shí)還能提高工作效率。