如何提高能量存储电池管理系统的可靠性

作者: Mike Kultgen, Greg Zimmer, Stefan Janhunen

大型电池阵列可以作为备份和连续供电的能量存储系统，这种用法正在得到越来越多的关注，特斯拉汽车公司不久前推出的家用和商用Powerwall系统证明了这一点。这类系统中的电池由电网或其他能源连续充电，然后通过DC/AC逆变器向用户提供交流(AC)电。

用电池作为备份电源并不是新鲜事，目前已经有很多种电池备份电源系统了，例如基本的120/240V AC和数百瓦功率的台式PC短期备份电源系统，船舶、混合动力汽车或全电动型汽车使用的数千瓦特种车船备份电源系统，电信系统和数据中心使用的电网级数百千瓦备份电源系统(参见图1)…等等。尽管电池化学组成和电池技术领域的进步引起了很大的关注，但是对于一个可行和基于电池的备份系统而言，还有一个同样关键的部分，那就是电池管理系统(BMS)。


图1：基于电池的备份电源非常适合从数千瓦到数百kW功率的固定及移动应用，可为多种应用可靠和有效地供电。

为能量存储应用实现电池管理系统时有很多挑战，其解决方案绝不是从小型、较低容量电池包的管理系统简单“扩展”而成。相反，需要新的、更加复杂的战略以及关键的支持组件。

挑战的起点是，要求很多关键电池参数的测量值具备高准确度和可信度。此外，子系统的设计必须是模块化的，以能够按照应用的特定需求对配置进行定制，还要考虑可能的扩展要求、整体管理问题以及必要的维护。

较大型存储阵列的工作环境还带来了其他重大挑战。在逆变器电压很高/电流很大并因此而产生电流尖峰的情况下，BMS还必须在噪声极大的电气环境而且常常是温度很高的环境中提供精确、一致的数据。此外，BMS还必须针对内部模块和系统温度测量值提供广泛的 “精细” 数据，而不是有限的几项粗略的总计数据，因为这些数据对于充电、监视和放电而言是至关重要的。

由于这些电源系统的重要作用，因此它们的工作可靠性具有与生俱来的关键性。要把上面这个很容易表述的目标变成现实，BMS必须确保数据准确度和完整性以及连续的健康评估，这样BMS才能持续采取所需行动。实现坚固的设计和可靠的安全性是一个多级过程，BMS必须针对所有子系统预期可能出现的问题、执行自测试并提供故障检测，然后在备用模式和工作模式采用恰当的行动。最后一个要求是，由于高压、大电流和大功率，所以 BMS 必须满足很多严格的监管标准要求。

系统设计将概念转变成真实世界的成果

尽管监视可再充电电池从概念上看很简单，只需将电压和电流测量电路放在电池端子处即可，但现实中的BMS却很不一样，要复杂得多。

坚固的设计始于对各节电池的全面监视，这对模拟电路功能提出了一些重要要求。电池读数需要达到毫伏和毫安级准确度，电压和电流测量值必须是时间同步以计算功率。BMS必须评估每次测量的有效性，因为它需要最大限度提高数据完整性，同时BMS还必须识别错误或有问题的读数。BMS不能忽视不寻常的读数，因为这种读数也许表明有潜在问题，但同时，BMS又不能根据有错误的数据采取行动。

模块化BMS架构提高了坚固性、可扩展性和可靠性。数据链路各部分之间需要隔离，以最大限度降低电气噪声的影响，并提高安全性，而模块化为实现隔离提供了方便。此外，先进的数据编码格式[例如循环冗余校验(CRC)差错检测和链接确认协议]可确保数据完整性，这样系统管理电路就可确信，它接收的数据就是所发送的数据。

采用了这些原理的BMS实例之一是由Nuvation Engineering(加拿大安大略省滑铁卢和美国加利福尼亚州桑尼维尔)开发的可扩展和可定制电池管理系统。凭借以可靠性和坚固性作为关键指标的电网电能存储系统和电源后备设备领域屡屡赢得设计案，Nuvation BMS设计正在逐步地证明自己的实力。这种现成有售的BMS之主要优势是其具有三个子系统的分层分级拓扑(参见图2)，这三个子系统各具独特的功能，如图3所示。


图2：Nuvation Engineering公司的电池管理系统是AC电网和电池阵列之间的接口，该系统以先进的方式监督电池充电/放电，并提供DC/AC逆变器功能。


图3：Nuvation BMS的3大子系统：电池接口、电池组控制器、电源接口。该 BMS 由模块化、分级设计组成，可对多种功率级系统提供可扩展性、坚固性和可靠性。

1. 电池接口对电池组中的每节电池提供严格管理和监视；视电池组的数量不同而不同，系统根据需要采用尽可能多的电池接口。随着电池数量增加以及由此而来的电池组电压提高，这些接口可以按菊花链方式连接以实现系统扩展。

2. 所有电池接口都连接到一个电池组控制器，该控制器监视和管理多个电池接口单元。如果需要，多个电池组控制器可以连接到一起，以支持由很多电池组并联组成的大型电池包。

3. 电源接口将电池组控制器连接到高压 / 大电流线路，是到逆变器 / 充电器的接口。电源接口从物理上和电气上使高压和大电流组件与其他模块隔离。该接口还直接从电池组给BMS供电，因此BMS的运行无需任何外部电源。

Nuvation BMS的模块化和分级架构支持高达1250V DC的电池包电压，所采用的电池接口模块每个支持多达 16 节电池，允许多达 48 个电池接口模块叠置，支持包含多个并联电池组的电池包。从用户的角度来看，整个组装阵列是作为单一单元管理的。