最大限度提高能量存儲電池管理系統中 電池電量監視的準確度和數據完整性

大型電池陣列可以作為備份和連續供電的能量存儲系統，這種用法正在得到越來(lái)越多的關(guān)注，特斯拉汽車(chē)公司不久前推出的家用和商用 Powerwall 系統證明了這一點(diǎn)。這類(lèi)系統中的電池由電網(wǎng)或其他能源連續充電，然后通過(guò) DC/AC 逆變器向用戶(hù)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了，例如基本的 120/240Vac 和數百瓦功率的臺式 PC 短期備份電源系統，船舶、混合動(dòng)力汽車(chē)或全電動(dòng)型汽車(chē)使用的數千瓦特種車(chē)船備份電源系統，電信系統和數據中心使用的電網(wǎng)級數百千瓦備份電源系統 (參見(jiàn)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，但是對于一個(gè)可行和基于電池的備份系統而言，還有一個(gè)同樣關(guān)鍵的部分，那就是電池管理系統 (BMS)。

圖 1：基于電池的備份電源非常適合從數千瓦到數百 kW 功率的固定及移動(dòng)應用，可為多種應用可靠和有效地供電。

為能量存儲應用實(shí)現電池管理系統時(shí)有很多挑戰，其解決方案絕不是從小型、較低容量電池包的管理系統簡(jiǎn)單“擴展”而成。相反，需要新的、更加復雜的戰略以及關(guān)鍵的支持組件。

挑戰的起點(diǎn)是，要求很多關(guān)鍵電池參數的測量值具備高準確度和可信度。此外，子系統的設計必須是模塊化的，以能夠按照應用的特定需求對配置進(jìn)行定制，還要考慮可能的擴展要求、整體管理問(wèn)題以及必要的維護。

較大型存儲陣列的工作環(huán)境還帶來(lái)了其他重大挑戰。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、一致的數據。此外，BMS 還必須針對內部模塊和系統溫度測量值提供廣泛的 “精細” 數據，而不是有限的幾項粗略的總計數據，因為這些數據對于充電、監視和放電而言是至關(guān)重要的。

由于這些電源系統的重要作用，因此它們的工作可靠性具有與生俱來(lái)的關(guān)鍵性。要把上面這個(gè)很容易表述的目標變成現實(shí)，BMS 必須確保數據準確度和完整性以及連續的健康評估，這樣 BMS 才能持續采取所需行動(dòng)。實(shí)現堅固的設計和可靠的安全性是一個(gè)多級過(guò)程，BMS 必須針對所有子系統預期可能出現的問(wèn)題、執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的行動(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(mǎn)足很多嚴格的監管標準要求。

系統設計將概念轉變成真實(shí)世界的成果

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

堅固的設計始于對各節電池的全面監視，這對模擬電路功能提出了一些重要要求。電池讀數需要達到毫伏和毫安級準確度，電壓和電流測量值必須是時(shí)間同步以計算功率。BMS 必須評估每次測量的有效性，因為它需要最大限度提高數據完整性，同時(shí) BMS 還必須識別錯誤或有問(wèn)題的讀數。BMS 不能忽視不尋常的讀數，因為這種讀數也許表明有潛在問(wèn)題，但同時(shí)，BMS 又不能根據有錯誤的數據采取行動(dòng)。

模塊化 BMS 架構提高了堅固性、可擴展性和可靠性。數據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)現隔離提供了方便。此外，先進(jìn)的數據編碼格式 [例如循環(huán)冗余校驗 (CRC) 差錯檢測和鏈接確認協(xié)議] 可確保數據完整性，這樣系統管理電路就可確信，它接收的數據就是所發(fā)送的數據。

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(kāi)發(fā)的可擴展和可定制電池管理系統。憑借以可靠性和堅固性作為關(guān)鍵指標的電網(wǎng)電能存儲系統和電源后備設備領(lǐng)域屢屢贏(yíng)得設計案，Nuvation BMS 設計正在逐步地證明自己的實(shí)力。這種現成有售的 BMS 之主要優(yōu)勢是其具有三個(gè)子系統的分層分級拓撲 (參見(jiàn)圖 2)，這三個(gè)子系統各具獨特的功能，如圖 3 所示。

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