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电力储能系统用BMS与动力电池系统BMS解析

北极星储能网  来源:储能产业新观察  作者:锂电前沿  2020/4/20 16:29:17  我要投稿  

北极星储能网讯:电力储能系统用BMS与动力电池系统BMS解析近年来随着电动汽车及电力储能行业的快速发展,不可避免的带来一些问题。这其中,安全问题成为电动汽车和电池储能系统备受瞩目的热点和难点,任何一次安全事故,都会严重刺激公众及用户的神经,对化学电源尤其是锂离子电池安全的质疑进一步加深,在一定程度上将阻碍电动汽车及电力储能产业的健康可持续发展。锂离子电池安全性问题本质上就是电池的“热失控”,即到达一定的温度极限后,电池温度出现直线上升,进而发生燃烧爆炸的现象。电池过热、过充、内短路、碰撞等是引发电池“热失控”的几个关键因素,另外电池的过充、过放、过流、短路及超高温充放电等还会严重影响电池的性能。因此自锂电池大规模使用起,电池保护便是必不可少的,电池管理系统(BMS)已经成为了锂离子电池的守护者。

(来源:储能产业新观察 作者:锂电前沿)

BMS的构成与功能

BMS的原材料是IC、线束、继电器与机壳。基本工作原理是MCU采集传感器提供的电流、电压、温度等电池工作参数,从而对电池的工作情况进行分析,估算其剩余电量,决定是否启动保护电路或进行均衡;电池工作状态可通过显示屏显示,也可以与上位机进行通信,从而实现远程监控。BMS主要由主控单元、从控单元、信息采集单元、信息传输及显示单元等组成。在硬件设计过程中,为达成产品的高可靠性和安全性,在各功能区需要选择PPTC、FUSE等被动保护器件以保护电子电路在复杂电磁环境中的功能和安全。

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图1 BMS组成及典型架构

在锂离子电池系统中,BMS需要对电池组进行数据监测和故障诊断,以便对电池进行动态管理,并将这些数据上传至控制器,便于进行控制策略的选取与实施,实现电能的高效利用,保持电池性能良好,同时起到延长电池循环使用寿命的作用。一般来说,BMS要实现单体电池电压电流检测、电量计算、均衡管理等九大功能。

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图2 BMS需要实现的基本功能

其中单体电池电压监测的目的主要在于通过压差判断电池的差异性以及检测单体的运行状态。除此以外,电池组的总电压仍需要单独测试以备继电器的诊断。

其中温度的测量对于电池组工作状态的评估具有重大意义,包含单体电池的温度测量和电池组流体温度监测。电池组中温度传感器的放置位置以及使用个数,对温度测量影响较大,此外,不同温度区间对于BMS模块的精度要求也有不同,一般涉及到分级管理的概念。

另外单体电池SOC估算是BMS中的重点和难点。目前最常采用的估算方法是安时积分法和开路电压标定法。通过建立电池模型和大量数据的采集,将实际数据与计算数据进行比较,是目前的主流做法。

电池均衡是BMS另一难点,实质上是通过人为干预的方法使电池组内的所有电池综合新能趋于一致。常见的均衡技术分为被动均衡和主动均衡。采用主动均衡技术时单体电池一般外加DC/DC电路,利用能量补充或者能量转移的方式实现电池均衡的目的,在充电及放电过程中实现均衡;被动均衡是通过外接电阻将能量较高的电池消耗至设定值。主动均衡对电压采集精度要求较高,电路结构也较复杂。被动均衡虽然结构简单,但其只能在电池充电时实现均衡的效果,能量利用率较低。相比而言,由于主动均衡技术能量利用率较高,充放电时都可以达到电池均衡的效果,因而是未来的发展方向。此外,均衡技术与电池种类也有一定的关系,一般认为LFP更加适合主动均衡,三元电池者适合被动均衡。

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图3 主动均衡与被动均衡的对比

动力电池BMS与储能电池BMS比较

动力电池BMS一端与电池相连,另一端又与整车的控制及电子系统相连接,BMS通过CAN总线接口与车载总控制器、电机控制器、能量控制系统、车载显示系统等进行实时通讯。

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图4 动力电池BMS与整车连接

在电力储能系统中,电池管理系统(BMS)负责监控各单体蓄电池的工作状态,通过通讯的方式上传电池相关信息和状态,防止电池的过充与过放。此外储能的BMS系统还需要与电网进行通讯,控制谐波、频率等关键参数,并实现与PCS以及监控系统信息交互,PCS控制器通过CAN接口与BMS通讯获取电池组状态信息,可实现对电池的保护性充放电,确保电池运行安全;监控通讯系统是电池、电池管理系统以及变流器之间的连接纽带,储能监控系统还负责电池管理系统(BMS)与配电网调度系统接口,接受调度指令,完成诸如蓄电池充放电控制、独立离网系统支持、削峰填谷以及新能源发电平滑输出等电网实际应用。而动力电池的BMS系统还需要与充电桩进行通讯,保障充电时的电池。

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图5 储能电池BMS与系统其它单元的连接

根据以上分析:储能电池系统的BMS系统较之动力电池BMS系统在具体的实际使用中又有区别,分别表现在:

1)储能电池BMS所需要管理的电源是MWh甚至MWh百级别的,串并联的电池非常多,需要将这些电池成千上万枚电池有效地管理起来是一个系统工程。其次,要考虑储能系统需要与电网连接,电网对谐波、频率等有较高的要求,此外与电网通讯也会有相关的标准约束,并且电网也会出台较严格的并网要求与安全标准。

2)电动汽车BMS需要在高温、震动的环境里工作,因此对可靠性及稳定性有着极高的要求,此外电动汽车涉及人身安全,相关测试极其严格。此外BMS所用的元器件应当是汽车级的,与充电桩、汽车电子等相连时需要考虑大量的标准与要求,并应该符合电磁兼容。

动力电池BMS与储能电池BMS产业格局比较

动力电池的 BMS 的制造商:

第一类是最具主导能力的BMS的终端用户——车厂,事实上国外 BMS制造实力最强的也就是车厂,如通用、特斯拉等;

第二类BMS的厂商是电池厂,包含电芯厂商与做pack的厂商,如三星、CATL、欣旺达、德赛电池、拓邦股份、北京普莱德等;

第三类专业的BMS制造商,此类厂商多有多年的电力电子技术积累,有高校背景或相关企业背景的研发团队,如科列技术、亿能电子、杭州高特等企业。

储能系统的 BMS 的制造商:

与动力电池的 BMS 主要由终端车厂主导不同,目前看来储能电池的终端用户电网没有加 入 BMS 研发与制造的需求与具体行动,也不大可能花费大量资金与精力开发大型电池管 理系统,所以可以认为储能电池 BMS 行业缺乏一个占据了绝对优势的重要参与者,给电 池厂以及专注做储能 BMS 的厂商留下了巨大的发展空间与想象空间。如果储能的市场一 旦确立,将给予电池厂与专业 BMS 生产厂商以非常大的发挥空间与较少的竞争阻力

当前专注于储能BMS开发的专业BMS厂商还比较少,主要原因是储能市场还处在初期,市场对于储能未来的发展还存在很大的疑虑,因此绝大部分厂商都没有进行储能相关BMS的开发。在实际的商业环境中,也有厂家购买电动汽车电池BMS用作储能电池的BMS用,相信 在未来专业电动汽车的 BMS 生产厂商也极有可能成为大规模储能项目使用的BMS供应商的重要组成部分。

国内BMS厂商及未来BMS市场规模

国内BMS生产企业主要有均胜电子、冠拓电源、安徽力高、亿能电子、比亚迪、华霆动力、普莱德、西安冠通数源、东莞钜威、上海安科瑞电源管理系统有限公司、深圳科列技术、蓝微新源、杭州高特电子等。根据长城证券预测未来新能源汽车BMS和储能BMS的总市场规模有望达到110亿至190亿。


原标题:电力储能系统用BMS与动力电池系统BMS解析

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