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如何提高能量存儲電池管理系統(tǒng)
大型電池陣列可以作為備份和連續(xù)供電的能量存儲系統(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120/240V AC和數(shù)百瓦功率的臺式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)。
為能量存儲應(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、一致的數(shù)據(jù)。此外，BMS還必須針對內(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)多級過程，BMS必須針對所有子系統(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)。zui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)始于對各節(jié)電池的全面監(jiān)視，這對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必須評估每次測量的有效性，因?yàn)樗枰獄ui大限度提高數(shù)據(jù)完整性，同時(shí)BMS還必須識別錯(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zui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，*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)的分層分級拓?fù)?參見圖2)，這三個(gè)子系統(tǒng)各具*的功能，如圖3所示。