最大限度提高能量存儲(chǔ)電池管理系統(tǒng)中 電池電量監(jiān)視的準(zhǔn)確度和數(shù)據(jù)完整性

大型電池陣列可以作為備份和連續(xù)供電的能量存儲(chǔ)系統(tǒng)，這種用法正在得到越來越多的關(guān)注，特斯拉汽車公司不久前推出的家用和商用 Powerwall 系統(tǒng)證明了這一點(diǎn)。這類系統(tǒng)中的電池由電網(wǎng)或其他能源連續(xù)充電，然后通過 DC/AC 逆變器向用戶提供交流 (AC) 電。

用電池作為備份電源并不是新鮮事，目前已經(jīng)有很多種電池備份電源系統(tǒng)了，例如基本的 120/240Vac 和數(shù)百瓦功率的臺(tái)式 PC 短期備份電源系統(tǒng)，船舶、混合動(dòng)力汽車或全電動(dòng)型汽車使用的數(shù)千瓦特種車船備份電源系統(tǒng)，電信系統(tǒng)和數(shù)據(jù)中心使用的電網(wǎng)級(jí)數(shù)百千瓦備份電源系統(tǒng) (參見圖 1) … 等等。盡管電池化學(xué)組成和電池技術(shù)領(lǐng)域的進(jìn)步引起了很大的關(guān)注，但是對(duì)于一個(gè)可行和基于電池的備份系統(tǒng)而言，還有一個(gè)同樣關(guān)鍵的部分，那就是電池管理系統(tǒng) (BMS)。

圖 1：基于電池的備份電源非常適合從數(shù)千瓦到數(shù)百 kW 功率的固定及移動(dòng)應(yīng)用，可為多種應(yīng)用可靠和有效地供電。

為能量存儲(chǔ)應(yīng)用實(shí)現(xiàn)電池管理系統(tǒng)時(shí)有很多挑戰(zhàn)，其解決方案絕不是從小型、較低容量電池包的管理系統(tǒng)簡單“擴(kuò)展”而成。相反，需要新的、更加復(fù)雜的戰(zhàn)略以及關(guān)鍵的支持組件。

挑戰(zhàn)的起點(diǎn)是，要求很多關(guān)鍵電池參數(shù)的測量值具備高準(zhǔn)確度和可信度。此外，子系統(tǒng)的設(shè)計(jì)必須是模塊化的，以能夠按照應(yīng)用的特定需求對(duì)配置進(jìn)行定制，還要考慮可能的擴(kuò)展要求、整體管理問題以及必要的維護(hù)。

較大型存儲(chǔ)陣列的工作環(huán)境還帶來了其他重大挑戰(zhàn)。在逆變器電壓很高 / 電流很大并因此而產(chǎn)生電流尖峰的情況下，BMS 還必須在噪聲極大的電氣環(huán)境而且常常是溫度很高的環(huán)境中提供精確、一致的數(shù)據(jù)。此外，BMS 還必須針對(duì)內(nèi)部模塊和系統(tǒng)溫度測量值提供廣泛的 “精細(xì)” 數(shù)據(jù)，而不是有限的幾項(xiàng)粗略的總計(jì)數(shù)據(jù)，因?yàn)檫@些數(shù)據(jù)對(duì)于充電、監(jiān)視和放電而言是至關(guān)重要的。

由于這些電源系統(tǒng)的重要作用，因此它們的工作可靠性具有與生俱來的關(guān)鍵性。要把上面這個(gè)很容易表述的目標(biāo)變成現(xiàn)實(shí)，BMS 必須確保數(shù)據(jù)準(zhǔn)確度和完整性以及連續(xù)的健康評(píng)估，這樣 BMS 才能持續(xù)采取所需行動(dòng)。實(shí)現(xiàn)堅(jiān)固的設(shè)計(jì)和可靠的安全性是一個(gè)多級(jí)過程，BMS 必須針對(duì)所有子系統(tǒng)預(yù)期可能出現(xiàn)的問題、執(zhí)行自測試并提供故障檢測，然后在備用模式和工作模式采用恰當(dāng)?shù)男袆?dòng)。最后一個(gè)要求是，由于高壓、大電流和大功率，所以 BMS 必須滿足很多嚴(yán)格的監(jiān)管標(biāo)準(zhǔn)要求。

系統(tǒng)設(shè)計(jì)將概念轉(zhuǎn)變成真實(shí)世界的成果

盡管監(jiān)視可再充電電池從概念上看很簡單，只需將電壓和電流測量電路放在電池端子處即可，但現(xiàn)實(shí)中的 BMS 卻很不一樣，要復(fù)雜得多。

堅(jiān)固的設(shè)計(jì)始于對(duì)各節(jié)電池的全面監(jiān)視，這對(duì)模擬電路功能提出了一些重要要求。電池讀數(shù)需要達(dá)到毫伏和毫安級(jí)準(zhǔn)確度，電壓和電流測量值必須是時(shí)間同步以計(jì)算功率。BMS 必須評(píng)估每次測量的有效性，因?yàn)樗枰畲笙薅忍岣邤?shù)據(jù)完整性，同時(shí) BMS 還必須識(shí)別錯(cuò)誤或有問題的讀數(shù)。BMS 不能忽視不尋常的讀數(shù)，因?yàn)檫@種讀數(shù)也許表明有潛在問題，但同時(shí)，BMS 又不能根據(jù)有錯(cuò)誤的數(shù)據(jù)采取行動(dòng)。

模塊化 BMS 架構(gòu)提高了堅(jiān)固性、可擴(kuò)展性和可靠性。數(shù)據(jù)鏈路各部分之間需要隔離，以最大限度降低電氣噪聲的影響，并提高安全性，而模塊化為實(shí)現(xiàn)隔離提供了方便。此外，先進(jìn)的數(shù)據(jù)編碼格式 [例如循環(huán)冗余校驗(yàn) (CRC) 差錯(cuò)檢測和鏈接確認(rèn)協(xié)議] 可確保數(shù)據(jù)完整性，這樣系統(tǒng)管理電路就可確信，它接收的數(shù)據(jù)就是所發(fā)送的數(shù)據(jù)。

采用了這些原理的 BMS 實(shí)例之一是由 Nuvation Engineering (加拿大安大略省滑鐵盧和美國加利福尼亞州桑尼維爾) 開發(fā)的可擴(kuò)展和可定制電池管理系統(tǒng)。憑借以可靠性和堅(jiān)固性作為關(guān)鍵指標(biāo)的電網(wǎng)電能存儲(chǔ)系統(tǒng)和電源后備設(shè)備領(lǐng)域?qū)覍亿A得設(shè)計(jì)案，Nuvation BMS 設(shè)計(jì)正在逐步地證明自己的實(shí)力。這種現(xiàn)成有售的 BMS 之主要優(yōu)勢是其具有三個(gè)子系統(tǒng)的分層分級(jí)拓?fù)?(參見圖 2)，這三個(gè)子系統(tǒng)各具獨(dú)特的功能，如圖 3 所示。

圖 2：Nuvation Engineering 公司的電池管理系統(tǒng)是 AC 電網(wǎng)和電池陣列之間的接口，該系統(tǒng)以先進(jìn)的方式監(jiān)督電池充電 / 放電，并提供 DC/AC 逆變器功能。