隨著低碳可持續(xù)發(fā)展的逐步推進(jìn)，對(duì)于智能儲(chǔ)能系統(tǒng)的需求量水漲船高。儲(chǔ)能系統(tǒng)可以使太陽能、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(xiàn)“削峰填谷”的調(diào)控效果。而要實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)能系統(tǒng)高效安全運(yùn)作，提高可再生能源的利用率，則離不開內(nèi)部電池管理系統(tǒng)（BMS）的參與。
不論是集中式儲(chǔ)能系統(tǒng)還是家庭儲(chǔ)能系統(tǒng)，BMS都在其中發(fā)揮了關(guān)鍵作用。來自GGII（高工產(chǎn)業(yè)研究院）的預(yù)測(cè)顯示，至2025年，中國(guó)儲(chǔ)能BMS市值將達(dá)到178億元（含出口海外），年復(fù)合增長(zhǎng)率為47%。而在需求量激增的同時(shí)，儲(chǔ)能系統(tǒng)對(duì)于BMS也提出了更高的技術(shù)要求。
圖1：儲(chǔ)能系統(tǒng)工作原理（圖源：www.innoliaenergy.com）
BMS：儲(chǔ)能系統(tǒng)的“大腦”
在儲(chǔ)能系統(tǒng)中，BMS的地位堪稱“大腦”。相比常見的BMS概念，儲(chǔ)能系統(tǒng)中BMS的系統(tǒng)架構(gòu)更為復(fù)雜，承載的功能也更多。要實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)能系統(tǒng)中高達(dá)上百萬顆電芯的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和均衡管理，絕非易事。
儲(chǔ)能系統(tǒng)的電池系統(tǒng)的組成，自下而上可以分為電芯、電池包、電池簇和電池系統(tǒng)四個(gè)層次。而儲(chǔ)能系統(tǒng)的BMS，通常也根據(jù)儲(chǔ)能系統(tǒng)的電池系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)成了從控、主控和總控三級(jí)架構(gòu)。
圖2：儲(chǔ)能BMS的拓?fù)鋱D（圖源：huasu-tech）
從控是非常基礎(chǔ)的電池管理單元，通常被稱為BMU（Battery Management Unit）。BMU負(fù)責(zé)電池包的管理，一方面要實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和采集電池包內(nèi)部的運(yùn)行信息，包括溫度、電壓、電流、SoC、SoH等；另一方面要實(shí)現(xiàn)電池均衡策略的執(zhí)行。此外，采集的電池包信息還會(huì)通過通信鏈路與第二級(jí)進(jìn)行通訊。
主控則是在從控的上一層，負(fù)責(zé)電池簇的管理工作，通常被稱為BCU（Battery Cluster management Unit）。BCU一方面實(shí)現(xiàn)對(duì)于電池簇的電壓、電流等信息的采集；另一方面負(fù)責(zé)電池簇之間的均衡策略，同時(shí)還要控制下一級(jí)的BMU完成對(duì)電池包的信息采集和匯總。一旦檢測(cè)到異常信息，BCU可以向出問題的電池包所在的BMU下達(dá)指令，通過電池包優(yōu)化器來將問題電池包切出，從而確保電池簇的安全運(yùn)行。
總控通常被稱為BSU（Battery Stack managemnet Unit），也可稱為集中管理單元（CMU）。作為更高層級(jí)的管理單元，該部分需要綜合來自儲(chǔ)能系統(tǒng)的環(huán)境檢測(cè)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(tǒng)和消防安全系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)互動(dòng)，做到安全問題的及時(shí)發(fā)現(xiàn)、有效隔離和合理處理。
總結(jié)來說，儲(chǔ)能系統(tǒng)中的BMS通過多級(jí)架構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)于儲(chǔ)能系統(tǒng)中從電芯到電池包、電池簇的多級(jí)狀態(tài)監(jiān)測(cè)與預(yù)估、充放電控制、溫度管理、故障檢測(cè)、安全保護(hù)、數(shù)據(jù)通信和存儲(chǔ)等一系列的功能。它確保了儲(chǔ)能系統(tǒng)能夠安全高效地儲(chǔ)存從可再生能源轉(zhuǎn)換而來的電能，優(yōu)化了內(nèi)部電池的整體壽命，并且?guī)椭鷮?shí)現(xiàn)與電網(wǎng)的并網(wǎng)離網(wǎng)高效切換。
儲(chǔ)能系統(tǒng)的BMS，要求更為嚴(yán)苛
儲(chǔ)能系統(tǒng)中電池?cái)?shù)量眾多，排列較為密集。大規(guī)模儲(chǔ)能系統(tǒng)中單個(gè)儲(chǔ)能艙的容量為0.5-2MWh，內(nèi)部單體電池?cái)?shù)量可達(dá)數(shù)萬個(gè)；GWh級(jí)別的儲(chǔ)能電站，內(nèi)部電芯數(shù)量則達(dá)到了上百萬個(gè)。這意味著一旦其中一個(gè)電池單體發(fā)生故障產(chǎn)生熱失控，就極易影響周圍的電池一起發(fā)生大規(guī)模的連鎖反應(yīng)，造成極大的損失。因此對(duì)于儲(chǔ)能系統(tǒng)的BMS，要求比電動(dòng)汽車中的BMS更為嚴(yán)苛。
圖3：BMS的主要功能（圖源：www.integrasources.com）
首先，儲(chǔ)能系統(tǒng)具有深放電、長(zhǎng)循環(huán)的特點(diǎn)，尤其到電池系統(tǒng)后期，對(duì)電池的一致性要求更為敏感。電池的一致性決定了儲(chǔ)能系統(tǒng)循環(huán)壽命的長(zhǎng)短，也決定了儲(chǔ)能系統(tǒng)每一次充放電深度以及容量。因此，儲(chǔ)能系統(tǒng)對(duì)于BMS電池均衡能力要求更高。
另一方面，BMS負(fù)責(zé)儲(chǔ)能系統(tǒng)全生命周期的管理，保障全生命周期內(nèi)儲(chǔ)能系統(tǒng)的高效運(yùn)行，在一定程度上也決定了系統(tǒng)的收益和維護(hù)成本。因此也就要求儲(chǔ)能系統(tǒng)的BMS具有自動(dòng)維護(hù)的功能。
從安全角度考慮，儲(chǔ)能系統(tǒng)中BMS要具有防環(huán)流的設(shè)計(jì)，具備極強(qiáng)的抗干擾能力，并且具備更快的數(shù)據(jù)處理能力、響應(yīng)速度和通訊能力。只有具備更快的數(shù)據(jù)采集能力和通訊能力，才能確保在某一電芯出現(xiàn)問題的第一時(shí)間就可以實(shí)現(xiàn)快速響應(yīng)，將問題電池組分離。
從多起儲(chǔ)能項(xiàng)目爆炸案例分析來看，主要來自幾個(gè)原因，包括電池本體缺陷、過電壓電流等保護(hù)裝置不足、主動(dòng)熱管理不夠以及PCS、BMS、EMS之間協(xié)調(diào)做的不夠好等。而如果有足夠可靠智能的BMS，那么這些問題都可以提前獲得預(yù)警，并通過一定的技術(shù)手段提前化解。
為了確保儲(chǔ)能系統(tǒng)能夠高效安全地運(yùn)行，儲(chǔ)能BMS需要進(jìn)行哪些技術(shù)革新？在電芯的監(jiān)測(cè)方面，要做到更多關(guān)鍵參數(shù)的更精準(zhǔn)分析。除了常見的電壓、溫度和內(nèi)阻等參數(shù)外，還應(yīng)從多個(gè)維度、采用多種手段研究電池安全性機(jī)理，基于精準(zhǔn)測(cè)量和數(shù)值化模型準(zhǔn)確預(yù)測(cè)鋰電池安全性表現(xiàn)，搭建起上萬顆電芯的全生命周期管理體系，從而實(shí)現(xiàn)更精準(zhǔn)的預(yù)測(cè)。
在架構(gòu)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(chǔ)能變流器連接使用，這樣既可以簡(jiǎn)化儲(chǔ)能BMS的架構(gòu)，又能提高整體工作效率。例如華為從去年開始推廣其“一簇一管理”、“一模組一均衡”的BMS架構(gòu)，包括科華陽光、比亞迪等也相繼推出了針對(duì)PACK和電池簇的簇均衡器技術(shù)。
儲(chǔ)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(chǔ)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，通過其單向?qū)ǖ哪芰泶_保通信接口不受到損壞；同時(shí)在多種電路拓?fù)渲�，也都需要二極管的參與。在此我們?yōu)榇蠹彝扑]一款來自Vishay的二極管器件，非常適用于儲(chǔ)能系統(tǒng)BMS的應(yīng)用。該器件名為XMC7K24CA XClampR™ TVS二極管，在貿(mào)澤電子的具體料號(hào)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(hù)用的電子零件，可以保護(hù)電器設(shè)備不受導(dǎo)線引入的電壓尖峰破壞。而XMC7K24CA作為TVS二極管，相比其他同類產(chǎn)品的優(yōu)勢(shì)在于其具備高溫穩(wěn)定性和高可靠性，并且提供了優(yōu)異的性能表現(xiàn)。
該器件的工作電壓可高達(dá)24V，存儲(chǔ)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(chǔ)能BMS的傳感器IC、MOSFET、信號(hào)線中保護(hù)敏感電子產(chǎn)品，使之免受由感性負(fù)載開關(guān)和照明引起的電壓瞬變影響。
圖4：XMC7K24CA（圖源：Vishay）
在儲(chǔ)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自Vishay的厚膜電阻器LTO100H，在貿(mào)澤電子的具體料號(hào)為“LTO100H2R200JTE3”。
LTO100H是Vishay新推出的厚膜功率電阻器產(chǎn)品，具有高達(dá)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系列是無感抗的，具有從0.8Ω到4KΩ的寬電阻范圍，符合AEC-Q200標(biāo)準(zhǔn)，能夠在+85°C時(shí)具有高達(dá)100W功率能力。該產(chǎn)品廣泛適用于電動(dòng)汽車和儲(chǔ)能電池管理系統(tǒng)。
圖5：LTO100H（圖源：貿(mào)澤電子）
BMS技術(shù)創(chuàng)新和儲(chǔ)能產(chǎn)業(yè)未來發(fā)展密切相關(guān)
從一定程度上來看，BMS技術(shù)創(chuàng)新決定了儲(chǔ)能產(chǎn)業(yè)的未來發(fā)展。從全生命周期的角度來考慮，采用更先進(jìn)的BMS在長(zhǎng)期帶來的收益將會(huì)遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于在初期的一次性投入成本。主動(dòng)均衡技術(shù)、電芯內(nèi)電化學(xué)感知技術(shù)和基于單體無線通訊技術(shù)等硬件技術(shù)創(chuàng)新，輔以更高算力和精準(zhǔn)的算法模型預(yù)測(cè)，將會(huì)把儲(chǔ)能產(chǎn)業(yè)的發(fā)展推到新的高度。 |
