近年來(lái)儲(chǔ)能用鋰離子電池起火事故，主要原因是鋰電池的熱失控，即為內(nèi)部短路、析鋰、高溫、體積變化等連鎖過(guò)程致起火爆炸發(fā)生。以安全為核心的數(shù)據(jù)中心更不能接受儲(chǔ)能系統(tǒng)爆炸起火的風(fēng)險(xiǎn)。所以，儲(chǔ)能電池系統(tǒng)需要有效的手段排除在極早期發(fā)現(xiàn)熱失控風(fēng)險(xiǎn)，也急需有效的工具來(lái)對(duì)儲(chǔ)能鋰電池系統(tǒng)進(jìn)行安全及壽命的健康度分析。

電池管理系統(tǒng)（BMS），是監(jiān)測(cè)電池狀態(tài)（溫度、電壓、電流、荷電狀態(tài)等），為電池提供通訊接口和保護(hù)的系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)儲(chǔ)能電池堆的全面控制與保護(hù)，并實(shí)現(xiàn)與PCS 系統(tǒng)、EMS通信與管理，并確保電池系統(tǒng)的可靠性和安全性。

電池管理中的關(guān)鍵技術(shù)主要包括荷電狀態(tài)（SOC）估算技術(shù)、電池健康狀態(tài)（SOH）估算技術(shù)、均衡管理技術(shù)和保護(hù)技術(shù)等。

1.電池管理系統(tǒng)架構(gòu)

電池管理系統(tǒng)主要目的是保障電池的安全穩(wěn)定運(yùn)行，提高電池的循環(huán)效率并延長(zhǎng)使用壽命。鑒于儲(chǔ)能系統(tǒng)中大量的電池信息量和管理需求，電池管理系統(tǒng)一般采用分層管理模式。

根據(jù)不同儲(chǔ)能系統(tǒng)中的電池成組方式及系統(tǒng)規(guī)模容量，電池管理系統(tǒng)（BMS）一般有兩種典型結(jié)構(gòu)：兩級(jí)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和三級(jí)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，包括電池管理單元（BMU）、電池簇管理單元（BCU）和電池陣列管理單元（BAU）。

1）兩級(jí)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

當(dāng)電池儲(chǔ)能系統(tǒng)的規(guī)模較小，可采用兩級(jí)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的電池管理系統(tǒng)，如圖1所示，為兩級(jí)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)示意圖。該電池管理系統(tǒng)由多個(gè)電池模塊管理單元（BMU）和1個(gè)電池組管理單元（BCU）組成，系統(tǒng)內(nèi)部用CAN總線進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，以確保通信的可靠性與高效性。

圖1：兩級(jí)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)示意圖

2）三級(jí)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

當(dāng)儲(chǔ)能系統(tǒng)的規(guī)模較大時(shí)，儲(chǔ)能電池并聯(lián)電池簇較多，可采用三級(jí)拓?fù)涞碾姵毓芾硐到y(tǒng)。三級(jí)架構(gòu)可以允許系統(tǒng)更多的適應(yīng)性、擴(kuò)展性，適用于各種不同的應(yīng)用場(chǎng)景。三級(jí)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的儲(chǔ)能管理系統(tǒng)，包括BMU、BCU、BAU。由多個(gè)電池模塊管理單元（BMU）、多個(gè)電池組管理單元（BCU）和1個(gè)電池陣列管理系統(tǒng)（BAU）組成，系統(tǒng)內(nèi)部采用CAN總線進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。三級(jí)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示。

BMU的功能與二級(jí)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中的BMU功能一致。BCU的功能與二級(jí)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中的BCU一致。BAU匯集所有BCU的信息，負(fù)責(zé)整個(gè)電池儲(chǔ)能系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)視和SOC、SOH的估算，并與儲(chǔ)能變流器、上層監(jiān)控通信。BAU按照一定的控制策略，對(duì)BCU下達(dá)控制命令，統(tǒng)籌管理每串電池組的接入與斷開(kāi)。

圖2：三級(jí)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)示意圖

2.電池管理系統(tǒng)主要功能

一般來(lái)說(shuō)，BMS要實(shí)現(xiàn)電池的充放電管理、電壓、電流及溫度檢測(cè)、電量計(jì)算、均衡管理、電氣保護(hù)等九大功能。

圖3：BMS功能圖

1）電池參數(shù)檢測(cè)功能

BMS應(yīng)能實(shí)時(shí)測(cè)量電池的電和熱相關(guān)的數(shù)據(jù)，應(yīng)包括單體電池電壓、電池單體溫度、串聯(lián)回路電流、絕緣電阻等參數(shù)。

2）計(jì)算要求

BMS應(yīng)能夠估算電池的荷電狀態(tài)，充電、放電電能量值(Wh)，最大充電電流，最大放電電流等狀態(tài)參數(shù)，且具有掉電保持功能，具備上傳監(jiān)控系統(tǒng)的功能。

3）狀態(tài)參數(shù)信息上送功能

BMS應(yīng)具備內(nèi)部信息收集和交互功能，能將電池單體和電池整體信息上傳監(jiān)控系統(tǒng)和功率變換系統(tǒng)。

BMS應(yīng)能上送電池艙環(huán)境溫度、電池艙滅火裝置告警、電池艙滅火裝置動(dòng)作等信號(hào)。BMS 應(yīng)能上送電池組SOC、電池組SOH、電池組單體最高電壓值、電池組單體最高電壓編號(hào)、電池組單體最低電壓值、電池組單體最低電壓編號(hào)、電池組單體平均電壓值、電池組單體最高溫度值、電池組單體最高溫度編號(hào)、電池組單體最低溫度值、電池組單體最低溫度編號(hào)、電池組單體平均溫度值等量測(cè)。

4）故障診斷功能

BMS應(yīng)能夠監(jiān)測(cè)電池的運(yùn)行狀態(tài)，診斷電池或BMS本體的異常運(yùn)行狀態(tài)，上送相關(guān)告警信號(hào)至監(jiān)控系統(tǒng)和功率變換系統(tǒng)。

5）電池的電氣保護(hù)功能

BMS應(yīng)具備電池的過(guò)壓保護(hù)、欠壓保護(hù)、過(guò)流保護(hù)、短路保護(hù)、過(guò)溫保護(hù)、漏電保護(hù)等電氣保護(hù)功能，并能發(fā)出告警信號(hào)或跳閘指令，實(shí)施就地故障隔離。

6）管理功能

BMS應(yīng)能對(duì)充放電進(jìn)行有效管理，確保充放電過(guò)程中不發(fā)生電池過(guò)充電、過(guò)放電，以防止發(fā)生充放電電流和溫度超過(guò)允許值，主要功能應(yīng)符合下列要求：

a) 充電管理功能：在充電過(guò)程中，電池充電電壓應(yīng)控制在最高允許充電電壓內(nèi)；

b) 放電管理功能：在放電過(guò)程中，電池放電電壓應(yīng)控制在最低允許放電電壓內(nèi)；

c) 電量均衡管理功能：應(yīng)采用高能效的均衡控制策略，保證電池間的一致性滿足要求。

由于電池生產(chǎn)工藝所限，不可能做到每一個(gè)電芯的電壓內(nèi)阻等做到完全一致。在電池簇串聯(lián)使用過(guò)程中，內(nèi)阻大的電芯先放空電，又先充飽電，長(zhǎng)期這樣使用，各個(gè)串聯(lián)電芯的容量和電壓的差異也越來(lái)越明顯。不一致性的存在使得鋰離子電池包的容量小于組中最小單體的容量，造成能量的水桶效應(yīng)，并進(jìn)入惡性循環(huán)，影響電池壽命。均衡的目的就是使各電芯電壓保持一致，最大限度的增加電池的放電量，延長(zhǎng)電池壽命。均衡的分類:

依據(jù)能量釋放的途徑分類，分為能耗式或能量轉(zhuǎn)移式；

依據(jù)能量釋放的控制方式分類，分為主動(dòng)均衡或被動(dòng)均衡。

被動(dòng)均衡是通過(guò)接入電阻等耗散元件的方式來(lái)消耗電池組中電量較高的電池，達(dá)到電池組中各電池電量均衡的目的；被動(dòng)均衡雖然結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但其只能在電池充電時(shí)實(shí)現(xiàn)均衡的效果，能量利用率較低。主動(dòng)均衡是利用外加的DC/DC電路，將電池組中較高電量電池的能量轉(zhuǎn)移到較低電量電池中，實(shí)現(xiàn)電池組各單體電池電量的均衡，在充電及放電過(guò)程中均可實(shí)現(xiàn)均衡；主動(dòng)均衡對(duì)電壓采集精度要求較高，電路結(jié)構(gòu)也較復(fù)雜；通常均衡電流一般為0.5~5A，以達(dá)到對(duì)一次充電循環(huán)電池組產(chǎn)生的差異進(jìn)行快速、有效的補(bǔ)償、消除差異，確保電池系統(tǒng)可用容量最大化。

圖4：電池的主動(dòng)均衡與被動(dòng)均衡

除了串聯(lián)電池簇內(nèi)每模塊的均壓管理以外，對(duì)于多簇并聯(lián)的儲(chǔ)能電池系統(tǒng)，還需要做簇間的均流管理。均流管理是指對(duì)并聯(lián)的電池簇進(jìn)行均流管理，在每個(gè)電池簇回路中增加雙向功率控制電路（DC/DC），通過(guò)DC/DC 控制調(diào)整功率電路的占空比，從而實(shí)現(xiàn)每個(gè)電池簇的均流控制，保證并聯(lián)電池簇內(nèi)各不同SOH的電池可同時(shí)達(dá)到EOD（End Of Discharge，放電截止）點(diǎn)。

7）統(tǒng)計(jì)功能

BMS應(yīng)具有電池充、放電的累計(jì)充、放電量的統(tǒng)計(jì)功能，并具有掉電保持功能。

8）通信功能

BMS與功率變換系統(tǒng)之間應(yīng)有通訊接口，宜有備用接口，作為冗余，同時(shí)宜具備1個(gè)硬接點(diǎn)接口。BMS 與監(jiān)控系統(tǒng)之間應(yīng)有以太網(wǎng)通訊接口，宜有備用接口，作為冗余。同時(shí)，電化學(xué)儲(chǔ)能電站內(nèi)BMS宜單獨(dú)組網(wǎng)。

9）定值設(shè)置功能

BMS應(yīng)能對(duì)電池運(yùn)行參數(shù)、報(bào)警、保護(hù)定值進(jìn)行整定，且具備就地和遠(yuǎn)程修改功能。

10）操作權(quán)限管理功能

BMS應(yīng)具有操作權(quán)限密碼管理功能，任何改變運(yùn)行方式和運(yùn)行多數(shù)的操作均需要權(quán)限確認(rèn)。

11）事件記錄功能

運(yùn)行參數(shù)的修改、電池管理單元告警信息、保護(hù)動(dòng)作、充電和放電開(kāi)始/ 結(jié)束時(shí)間等均應(yīng)有記錄，且時(shí)間記錄應(yīng)精確到秒。事件記錄應(yīng)具有掉電保持功能。每個(gè)報(bào)警記錄應(yīng)包含所定義的限值、報(bào)警參數(shù)，并列明報(bào)警時(shí)間、日期以及報(bào)警值時(shí)段內(nèi)的峰值。

12）存儲(chǔ)功能

BMS應(yīng)具備足夠的容量在線存儲(chǔ)信息，且宜采用隊(duì)列方式存儲(chǔ)。

13）故障錄波功能

BMS宜有故障錄波功能，能夠?qū)收锨昂蟮臓顟B(tài)量有效記錄，電流量記錄周期不宜大于50ms，電壓量記錄周期不大于1s，溫度量記錄周期不大于5s。記錄時(shí)間不宜少于10min。

14）顯示功能

BMS應(yīng)能顯示確保系統(tǒng)安全可靠運(yùn)行所必需的信息，如相關(guān)定值、模擬量測(cè)量值、事件記錄和告警記錄等。

本文標(biāo)題：關(guān)于數(shù)據(jù)中心儲(chǔ)能電化學(xué)電池管理技術(shù)的研究

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