鉅大LARGE | 點擊量：5028次 | 2022年07月11日
電力儲能系統(tǒng)用BMS和動力鋰電池系統(tǒng)BMS解析
近年來隨著電動汽車及電力儲能行業(yè)的快速發(fā)展，不可防止的帶來一些問題。這其中，安全問題成為電動汽車和電池儲能系統(tǒng)備受矚目的熱點和難點，任何一次安全事故，都會嚴重刺激公眾及用戶的神經(jīng)，對化學(xué)電源尤其是鋰電池安全的質(zhì)疑進一步加深，在一定程度上將阻礙電動汽車及電力儲能產(chǎn)業(yè)的健康可持續(xù)發(fā)展。鋰電池安全性問題本質(zhì)上就是電池的"熱失控"，即到達一定的溫度極限后，電池溫度出現(xiàn)直線上升，進而發(fā)生燃燒爆炸的現(xiàn)象。電池過熱、過充、內(nèi)短路、碰撞等是引發(fā)電池"熱失控"的幾個關(guān)鍵因素，另外電池的過充、過放、過流、短路及超高溫充放電等還會嚴重影響電池的性能。因此自鋰電池大規(guī)模使用起，電池保護便是必不可少的，電池管理系統(tǒng)（BMS）已經(jīng)成為了鋰電池的守護者。
BMS的構(gòu)成和功能
BMS的原材料是IC、線束、繼電器和機殼?；竟ぷ髟硎荕CU采集傳感器供應(yīng)的電流、電壓、溫度等電池工作參數(shù)，從而對電池的工作情況進行分析，估算其剩余電量，決定是否啟動保護電路或進行均衡；電池工作狀態(tài)可通過顯示屏顯示，也可以和上位機進行通信，從而實現(xiàn)遠程監(jiān)控。BMS重要由主控單元、從控單元、信息采集單元、信息傳輸及顯示單元等組成。在硬件設(shè)計過程中，為達成產(chǎn)品的高可靠性和安全性，在各功能區(qū)要選擇PPTC、FUSE等被動保護器件以保護電子電路在復(fù)雜電磁環(huán)境中的功能和安全。
圖1BMS組成及典型架構(gòu)
在鋰電池系統(tǒng)中，BMS要對電池組進行數(shù)據(jù)監(jiān)測和故障診斷，以便對電池進行動態(tài)管理，并將這些數(shù)據(jù)上傳至控制器，便于進行控制策略的選取和實行，實現(xiàn)電能的高效利用，保持電池性能良好，同時起到延長電池循環(huán)使用壽命的用途。一般來說，BMS要實現(xiàn)單體電池電壓電流檢測、電量計算、均衡管理等九大功能。
符合Exic IIB T4 Gc防爆標準
充電溫度：0~45℃
-放電溫度：-40~+55℃
-40℃最大放電倍率：1C
-40℃ 0.5放電容量保持率≥70%
圖2BMS要實現(xiàn)的基本功能
其中單體電池電壓監(jiān)測的目的重要在于通過壓差判斷電池的差異性以及檢測單體的運行狀態(tài)。除此以外，電池組的總電壓仍要單獨測試以備繼電器的診斷。
其中溫度的測量有關(guān)電池組工作狀態(tài)的評估具有重大意義，包含單體電池的溫度測量和電池組流體溫度監(jiān)測。電池組中溫度傳感器的放置位置以及使用個數(shù)，對溫度測量影響較大，此外，不同溫度區(qū)間有關(guān)BMS模塊的精度要求也有不同，一般涉及到分級管理的概念。
另外單體電池SOC估算是BMS中的重點和難點。目前最常采用的估算方法是安時積分法和開路電壓標定法。通過建立電池模型和大量數(shù)據(jù)的采集，將實際數(shù)據(jù)和計算數(shù)據(jù)進行比較，是目前的主流做法。
電池均衡是BMS另一難點，實質(zhì)上是通過人為干預(yù)的方法使電池組內(nèi)的所有電池綜合新能趨于一致。常見的均衡技術(shù)分為被動均衡和主動均衡。采用主動均衡技術(shù)時單體電池一般外加DC/DC電路，利用能量補充或者能量轉(zhuǎn)移的方式實現(xiàn)電池均衡的目的，在充電及放電過程中實現(xiàn)均衡；被動均衡是通過外接電阻將能量較高的電池消耗至設(shè)定值。主動均衡對電壓采集精度要求較高，電路結(jié)構(gòu)也較復(fù)雜。被動均衡雖然結(jié)構(gòu)簡單，但其只能在電池充電時實現(xiàn)均衡的效果，能量利用率較低。相比而言，由于主動均衡技術(shù)能量利用率較高，充放電時都可以達到電池均衡的效果，因而是未來的發(fā)展方向。此外，均衡技術(shù)和電池種類也有一定的關(guān)系，一般認為LFP更加適合主動均衡，三元電池者適合被動均衡。
圖3主動均衡和被動均衡的比較
動力鋰電池BMS一端和電池相連，另一端又和整車的控制及電子系統(tǒng)相連接，BMS通過CAN總線接口和車載總控制器、電機控制器、能量控制系統(tǒng)、車載顯示系統(tǒng)等進行實時通訊。
圖4動力鋰電池BMS和整車連接
在電力儲能系統(tǒng)中，電池管理系統(tǒng)（BMS）負責(zé)監(jiān)控各單體蓄電池的工作狀態(tài)，通過通訊的方式上傳電池相關(guān)信息和狀態(tài)，防止電池的過充和過放。此外儲能的BMS系統(tǒng)還要和電網(wǎng)進行通訊，控制諧波、頻率等關(guān)鍵參數(shù)，并實現(xiàn)和PCS以及監(jiān)控系統(tǒng)信息交互，PCS控制器通過CAN接口和BMS通訊獲取電池組狀態(tài)信息，可實現(xiàn)對電池的保護性充放電，確保電池運行安全；監(jiān)控通訊系統(tǒng)是電池、電池管理系統(tǒng)以及變流器之間的連接紐帶，儲能監(jiān)控系統(tǒng)還負責(zé)電池管理系統(tǒng)（BMS）和配電網(wǎng)調(diào)度系統(tǒng)接口，接受調(diào)度指令，完成諸如蓄電池充放電控制、獨立離網(wǎng)系統(tǒng)支持、削峰填谷以及新能源發(fā)電平滑輸出等電網(wǎng)實際應(yīng)用。而動力鋰電池的BMS系統(tǒng)還要和充電樁進行通訊，保障充電時的電池。
圖5儲能電池BMS和系統(tǒng)其它單元的連接
根據(jù)以上分析：儲能電池系統(tǒng)的BMS系統(tǒng)較之動力鋰電池BMS系統(tǒng)在具體的實際使用中又有差別，分別表現(xiàn)在：
1）儲能電池BMS所要管理的電源是MWh甚至MWh百級別的，串并聯(lián)的電池非常多，要將這些電池成千上萬枚電池有效地管理起來是一個系統(tǒng)工程。其次，要考慮儲能系統(tǒng)要和電網(wǎng)連接，電網(wǎng)對諧波、頻率等有較高的要求，此外和電網(wǎng)通訊也會有相關(guān)的標準約束，并且電網(wǎng)也會出臺較嚴格的并網(wǎng)要求和安全標準。
2）電動汽車的BMS要在高溫、震動的環(huán)境里工作，因此對可靠性及穩(wěn)定性有著極高的要求，此外電動汽車涉及人身安全，相關(guān)測試極其嚴格。此外BMS所用的元器件應(yīng)當(dāng)是汽車級的，和充電樁、汽車電子等相連時要考慮大量的標準和要求，并應(yīng)該符合電磁兼容。
動力鋰電池BMS和儲能電池BMS產(chǎn)業(yè)格局比較
動力鋰電池的BMS的制造商：
第一類是最具主導(dǎo)能力的BMS的終端用戶——車廠，事實上國外BMS制造實力最強的也就是車廠，如通用、TSLA等；
第二類BMS的廠商是電池廠，包含電芯廠商和做pack的廠商，如三星、CATL、欣旺達、德賽電池、拓邦股份、北京普萊德等；
第三類專業(yè)的BMS制造商，此類廠商多有多年的電力電子技術(shù)積累，有高校背景或相關(guān)公司背景的研發(fā)團隊，如科列技術(shù)、億能電子、杭州高特等公司。
儲能系統(tǒng)的BMS的制造商：
和動力鋰電池的BMS重要由終端車廠主導(dǎo)不同，目前看來儲能電池的終端用戶電網(wǎng)沒有加入BMS研發(fā)和制造的需求和具體行動，也不大可能花費大量資金和精力開發(fā)大型電池管理系統(tǒng)，所以可以認為儲能電池BMS行業(yè)缺乏一個占據(jù)了絕對優(yōu)勢的重要參和者，給電池廠以及專注做儲能BMS的廠商留下了巨大的發(fā)展空間和想象空間。假如儲能的市場一旦確立，將給予電池廠和專業(yè)BMS生產(chǎn)廠商以非常大的發(fā)揮空間和較少的競爭阻力
當(dāng)前專注于儲能BMS開發(fā)的專業(yè)BMS廠商還比較少，重要原因是儲能市場還處在初期，市場有關(guān)儲能未來的發(fā)展還存在很大的疑慮，因此絕大部分廠商都沒有進行儲能相關(guān)BMS的開發(fā)。在實際的商業(yè)環(huán)境中，也有廠商購買電動汽車電池BMS用作儲能電池的BMS用，相信在未來專業(yè)電動汽車的BMS生產(chǎn)廠商也極有可能成為大規(guī)模儲能項目使用的BMS供應(yīng)商的重要組成部分。
國內(nèi)BMS廠商及未來BMS市場規(guī)模
國內(nèi)BMS生產(chǎn)公司主要有均勝電子、冠拓電源、安徽力高、億能電子、比亞迪、華霆動力、普萊德、西安冠通數(shù)源、東莞鉅威、上海安科瑞電源管理系統(tǒng)有限公司、深圳科列技術(shù)、藍微新源、杭州高特電子等。根據(jù)長城證券預(yù)測未來新能源汽車BMS和儲能BMS的總市場規(guī)模有望達到110億至190億。
