上百萬顆電芯實時監測管理，儲能系統的“大腦”BMS有何過人之處？
發布時間：2023-8-21 10:02
發布者：eechina
|
來源：貿澤電子 儲能系統 隨著低碳可持續發展的逐步推進，對于智能儲能系統的需求量水漲船高。儲能系統可以使太陽能、風能等可再生能源更好地與電網進行整合，幫助電網實現“削峰填谷”的調控效果。而要實現儲能系統高效安全運作，提高可再生能源的利用率，則離不開內部電池管理系統（BMS）的參與。 不論是集中式儲能系統還是家庭儲能系統，BMS都在其中發揮了關鍵作用。來自GGII（高工產業研究院）的預測顯示，至2025年，中國儲能BMS市值將達到178億元（含出口海外），年復合增長率為47%。而在需求量激增的同時，儲能系統對于BMS也提出了更高的技術要求。 
圖1：儲能系統工作原理（圖源：www.innoliaenergy.com） BMS：儲能系統的“大腦” 在儲能系統中，BMS的地位堪稱“大腦”。相比常見的BMS概念，儲能系統中BMS的系統架構更為復雜，承載的功能也更多。要實現儲能系統中高達上百萬顆電芯的實時監測和均衡管理，絕非易事。 儲能系統的電池系統的組成，自下而上可以分為電芯、電池包、電池簇和電池系統四個層次。而儲能系統的BMS，通常也根據儲能系統的電池系統架構設計成了從控、主控和總控三級架構。
圖2：儲能BMS的拓撲圖（圖源：huasu-tech） 從控是非�；A的電池管理單元，通常被稱為BMU（Battery Management Unit）。BMU負責電池包的管理，一方面要實時監測和采集電池包內部的運行信息，包括溫度、電壓、電流、SoC、SoH等；另一方面要實現電池均衡策略的執行。此外，采集的電池包信息還會通過通信鏈路與第二級進行通訊。 主控則是在從控的上一層，負責電池簇的管理工作，通常被稱為BCU（Battery Cluster management Unit）。BCU一方面實現對于電池簇的電壓、電流等信息的采集；另一方面負責電池簇之間的均衡策略，同時還要控制下一級的BMU完成對電池包的信息采集和匯總。一旦檢測到異常信息，BCU可以向出問題的電池包所在的BMU下達指令，通過電池包優化器來將問題電池包切出，從而確保電池簇的安全運行。 總控通常被稱為BSU（Battery Stack managemnet Unit），也可稱為集中管理單元（CMU）。作為更高層級的管理單元，該部分需要綜合來自儲能系統的環境檢測信息，制定合理的溫控策略，提升電池整體的一致性。同時還要與外部的溫控系統和消防安全系統實現互動，做到安全問題的及時發現、有效隔離和合理處理。 總結來說，儲能系統中的BMS通過多級架構，實現了對于儲能系統中從電芯到電池包、電池簇的多級狀態監測與預估、充放電控制、溫度管理、故障檢測、安全保護、數據通信和存儲等一系列的功能。它確保了儲能系統能夠安全高效地儲存從可再生能源轉換而來的電能，優化了內部電池的整體壽命，并且幫助實現與電網的并網離網高效切換。 儲能系統的BMS，要求更為嚴苛 儲能系統中電池數量眾多，排列較為密集。大規模儲能系統中單個儲能艙的容量為0.5-2MWh，內部單體電池數量可達數萬個；GWh級別的儲能電站，內部電芯數量則達到了上百萬個。這意味著一旦其中一個電池單體發生故障產生熱失控，就極易影響周圍的電池一起發生大規模的連鎖反應，造成極大的損失。因此對于儲能系統的BMS，要求比電動汽車中的BMS更為嚴苛。
圖3：BMS的主要功能（圖源：www.integrasources.com） 首先，儲能系統具有深放電、長循環的特點，尤其到電池系統后期，對電池的一致性要求更為敏感。電池的一致性決定了儲能系統循環壽命的長短，也決定了儲能系統每一次充放電深度以及容量。因此，儲能系統對于BMS電池均衡能力要求更高。 另一方面，BMS負責儲能系統全生命周期的管理，保障全生命周期內儲能系統的高效運行，在一定程度上也決定了系統的收益和維護成本。因此也就要求儲能系統的BMS具有自動維護的功能。 從安全角度考慮，儲能系統中BMS要具有防環流的設計，具備極強的抗干擾能力，并且具備更快的數據處理能力、響應速度和通訊能力。只有具備更快的數據采集能力和通訊能力，才能確保在某一電芯出現問題的第一時間就可以實現快速響應，將問題電池組分離。 從多起儲能項目爆炸案例分析來看，主要來自幾個原因，包括電池本體缺陷、過電壓電流等保護裝置不足、主動熱管理不夠以及PCS、BMS、EMS之間協調做的不夠好等。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警，并通過一定的技術手段提前化解。 為了確保儲能系統能夠高效安全地運行，儲能BMS需要進行哪些技術革新？在電芯的監測方面，要做到更多關鍵參數的更精準分析。除了常見的電壓、溫度和內阻等參數外，還應從多個維度、采用多種手段研究電池安全性機理，基于精準測量和數值化模型準確預測鋰電池安全性表現，搭建起上萬顆電芯的全生命周期管理體系，從而實現更精準的預測。 在架構革新方面，可以考慮“一簇一管理”的方式，將單個電池簇與單個模塊的儲能變流器連接使用，這樣既可以簡化儲能BMS的架構，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，包括科華陽光、比亞迪等也相繼推出了針對PACK和電池簇的簇均衡器技術。 儲能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。而其實像二極管、MOSFET、電阻和阻斷器等分立器件，也在儲能BMS中發揮了至關重要的作用。 在每一個電池組、每一個電池簇與外部的連接電路中，都會有二極管的存在，通過其單向導通的能力來確保通信接口不受到損壞；同時在多種電路拓撲中，也都需要二極管的參與。在此我們為大家推薦一款來自Vishay的二極管器件，非常適用于儲能系統BMS的應用。該器件名為XMC7K24CA XClampR™ TVS二極管，在貿澤電子的具體料號為“XMC7K24CA-M3/H”。 TVS二極管定義 所謂TVS二極管，即瞬態電壓抑制二極管，是一種保護用的電子零件，可以保護電器設備不受導線引入的電壓尖峰破壞。而XMC7K24CA作為TVS二極管，相比其他同類產品的優勢在于其具備高溫穩定性和高可靠性，并且提供了優異的性能表現。 該器件的工作電壓可高達24V，存儲溫度范圍為-55°C～175°C，峰值脈沖電流（IPPM）為180A；同時還具有超低鉗位電壓、低漏電流和7,000W峰值脈沖功率（PPPM）。該二極管可在儲能BMS的傳感器IC、MOSFET、信號線中保護敏感電子產品，使之免受由感性負載開關和照明引起的電壓瞬變影響。
圖4：XMC7K24CA（圖源：Vishay） 在儲能BMS中，另一個重要的、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，在貿澤電子的具體料號為“LTO100H2R200JTE3”。 LTO100H是Vishay新推出的厚膜功率電阻器產品，具有高達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標準，能夠在+85°C時具有高達100W功率能力。該產品廣泛適用于電動汽車和儲能電池管理系統。
圖5：LTO100H（圖源：貿澤電子） BMS技術創新和儲能產業未來發展密切相關 從一定程度上來看，BMS技術創新決定了儲能產業的未來發展。從全生命周期的角度來考慮，采用更先進的BMS在長期帶來的收益將會遠遠高于在初期的一次性投入成本。主動均衡技術、電芯內電化學感知技術和基于單體無線通訊技術等硬件技術創新，輔以更高算力和精準的算法模型預測，將會把儲能產業的發展推到新的高度。 相關技術資源 Vishay XMC7K24CA XClampR™ TVS二極管，了解詳情>> Vishay厚膜功率電阻器LTO100H，了解詳情>> |
網友評論