電池儲(chǔ)能系統(tǒng)的應(yīng)用范圍如今越來(lái)越廣泛，但面臨的市場(chǎng)條件也日益苛刻。電池管理系統(tǒng)開(kāi)發(fā)商Brill Power公司的技術(shù)專家對(duì)于如何設(shè)計(jì)和構(gòu)建確保電池儲(chǔ)能系統(tǒng)更長(zhǎng)壽命、多功能性和可用性的電池管理系統(tǒng)（BMS）進(jìn)行了分析與探討。
電池儲(chǔ)能系統(tǒng)的運(yùn)營(yíng)和維護(hù)需要采用電池管理系統(tǒng)(BMS)，電池管理系統(tǒng)(BMS)是電子技術(shù)和軟件的結(jié)合，是電池儲(chǔ)能系統(tǒng)的大腦。本文主要關(guān)注電池儲(chǔ)能系統(tǒng)采用的電池管理系統(tǒng)(BMS)。電池管理系統(tǒng)(BMS)最基本的功能是確保電池保持均衡性和安全性，并將重要信息(如可用容量)傳遞給用戶或連接的電池儲(chǔ)能系統(tǒng)。
Brill Power公司正在開(kāi)發(fā)和設(shè)計(jì)電池管理系統(tǒng)(BMS)硬件
保持均衡是必要的，因?yàn)殡姵貎?chǔ)能系統(tǒng)通常是由數(shù)百塊甚至是數(shù)千塊電池組成，每塊電池的容量和電阻都略有不同。隨著運(yùn)行時(shí)間的推移，這些差異隨著每塊電池以不同的速率退化而增加。如果電池電壓不均衡，很快達(dá)到到電池?zé)o法使用的程度。
安全性是通過(guò)將電池保持在電壓、電流、溫度的安全操作范圍內(nèi)來(lái)保證的，這對(duì)鋰離子電池來(lái)說(shuō)尤其重要。如果電池過(guò)度充電，或在非常低的溫度下充電，或在過(guò)高的電流或溫度下充電，電池就有可能會(huì)出現(xiàn)故障，導(dǎo)致火災(zāi)或爆炸。
而諸如可用容量和功率等參數(shù)無(wú)法直接測(cè)量，這意味著電池管理系統(tǒng)(BMS)必須進(jìn)行計(jì)算，它基于對(duì)電壓、電流和溫度的測(cè)量進(jìn)行計(jì)算得出的。這種計(jì)算被稱為狀態(tài)估計(jì)，其計(jì)算結(jié)果被傳遞到更高級(jí)別的系統(tǒng)，例如用戶界面。
在更詳細(xì)地了解電池管理系統(tǒng)(BMS)設(shè)計(jì)的考慮因素之前，有必要了解不同類型的電池管理系統(tǒng)(BMS)和行業(yè)需求，這些需求決定了設(shè)計(jì)的方式。平衡方法通常用于對(duì)電池管理系統(tǒng)(BMS)類型進(jìn)行分類，盡管其他設(shè)計(jì)方面也扮演著重要的角色，例如狀態(tài)估計(jì)和信息流的不同方法。
電池狀態(tài)
電池有不同的尺寸，這直接關(guān)系到它們的容量。例如鋰離子電池通常是電池中尺寸最小的電池。鋰離子電池的最低電壓可低至2.5V(例如磷酸鐵鋰電池)，而最高電壓可高達(dá)4.3V（例如NMC三元鋰電池）。
電池可以并聯(lián)連接，以增加電池組的最大電流。并聯(lián)連接的或串聯(lián)連接的電池通常被稱為超級(jí)電池。
一般來(lái)說(shuō)，并聯(lián)連接的超級(jí)電池的電壓可以自我平衡，沒(méi)有必要進(jìn)一步管理。而例外情況可能包括像鋰硫電池這樣的新型電池，以及像磷酸鐵鋰電池這樣在極端充放電速率條件下運(yùn)行的電荷與電壓曲線平坦?fàn)顟B(tài)的電池。
串聯(lián)連接的超級(jí)電池將會(huì)提高電池組的電壓，這主要應(yīng)用在高功率應(yīng)用場(chǎng)景中。
在向電池組配置中添加電池時(shí)，儲(chǔ)能容量會(huì)增加。因此，向超級(jí)電池添加并聯(lián)的電池組將會(huì)增加電池組的儲(chǔ)能容量，就像將額外的超級(jí)電池串聯(lián)在一起一樣。
電池管理系統(tǒng)(BMS)硬件
平衡的方法
在充電過(guò)程結(jié)束后，被動(dòng)平衡通過(guò)電阻器將能量（作為熱量）耗散，從而使電池的電壓一致，而這些能量本應(yīng)進(jìn)入充滿電的電池。采用這種方法的優(yōu)點(diǎn)是電子元件成本低。其缺點(diǎn)是流經(jīng)所有電池的電流都是一致的，這意味著串聯(lián)的電池組性能最差的電池會(huì)影響整個(gè)電池組的能量、功率、壽命和安全性。由于性能最差的電池的電流相對(duì)其更高，其退化速度將會(huì)加快，這也可能導(dǎo)致局部熱點(diǎn)，并導(dǎo)致電池組容量下降，甚至出現(xiàn)安全問(wèn)題。此外，在充電過(guò)程中將會(huì)浪費(fèi)電力。被動(dòng)電池管理系統(tǒng)(BMS)只能監(jiān)控電池組電流，并在發(fā)生故障時(shí)能夠通過(guò)斷路開(kāi)關(guān)中斷電池組電流。
如果實(shí)現(xiàn)雙向信息流，系統(tǒng)級(jí)參數(shù)（如操作設(shè)置）可能會(huì)更改，以確定電池壽命或性能的優(yōu)先級(jí)。而為了提高電池壽命需要以可用容量或功率為代價(jià)減少充放電操作，而提高性能則以減少電池壽命為代價(jià)增加充放電操作。
主動(dòng)平衡通常通過(guò)低電流旁路實(shí)現(xiàn)，該電路將較低充電電流提供給尚未充滿電的電池，而不是將這些能量作為熱量耗散。這種方法的主要好處是提高充電效率，如果必須有效地利用可用的充電能量，這一點(diǎn)可能很重要。然而，對(duì)于大多數(shù)應(yīng)用場(chǎng)景來(lái)說(shuō)，主動(dòng)平衡并不能證明組件的成本增加能夠帶來(lái)的好處。與被動(dòng)平衡一樣，性能較差的電池較高的電流加速了電池退化，并可能形成熱點(diǎn)。
Brill Power公司開(kāi)發(fā)一種新的電池控制和管理方法獲得專利
Brill Power公司是牛津大學(xué)分拆的一家公司。他們的研究發(fā)現(xiàn)，超級(jí)電池的電流需要按電池的自身狀況不斷調(diào)節(jié)。這確保了所有可用的能量被充分利用，并且不會(huì)減少電池組壽命，并且減緩性能較差的電池退化。
完全電流控制的安全好處包括通過(guò)減少高電阻電池上的電流來(lái)避免形成熱點(diǎn)，及時(shí)斷開(kāi)電池連接及其出現(xiàn)任何可能的故障。這種方法還具有系統(tǒng)級(jí)電壓調(diào)節(jié)的好處，這使得電池能夠與直流電源(如太陽(yáng)能發(fā)電設(shè)施、燃料電池和其他類型的電池)以及直流負(fù)載(如電動(dòng)汽車充電器)直接集成。孤立地看，這種方法的組件成本高于被動(dòng)平衡的電池管理系統(tǒng)(BMS)；但在系統(tǒng)層面來(lái)產(chǎn)，其成本低于被動(dòng)平衡的電池管理系統(tǒng)(BMS)。
降低電池儲(chǔ)能系統(tǒng)成本的方法是給定的性能情況下減少電池尺寸，并避免采用額外的硬件（例如DC/DC轉(zhuǎn)換器或逆變器）。根據(jù)Brill Power公司的分析，通過(guò)延長(zhǎng)電池壽命，可以使總擁有成本降低60%。
電池管理系統(tǒng)(BMS)技術(shù)的其他方法還包括級(jí)聯(lián)單元旁路和逆變器集成，但由于它們的適用性有限，在此不作進(jìn)一步討論。
不同電池管理系統(tǒng)(BMS)類型的簡(jiǎn)要說(shuō)明
狀態(tài)估計(jì)
充電狀態(tài)（SoC）和健康狀況（SoH）的估計(jì)基于電池模型和估計(jì)算法的組合。狀態(tài)估計(jì)和電池底層模型可能達(dá)到的復(fù)雜度和準(zhǔn)確性水平在很大程度上取決于硬件，在這里使用硬件來(lái)區(qū)分不同的方法。
集成電路（IC）用于大多數(shù)傳統(tǒng)電池管理系統(tǒng)(BMS)的狀態(tài)估計(jì)。集成電路是“硬連線”與特定的電池模型和狀態(tài)估計(jì)算法。集成電路的優(yōu)點(diǎn)是成本低，缺點(diǎn)是系統(tǒng)設(shè)計(jì)的靈活性和準(zhǔn)確性有限。而這些缺點(diǎn)往往會(huì)隨著時(shí)間的推移而變得更糟。設(shè)計(jì)的靈活性受到限制是因?yàn)榧呻娐吠ǔＪ菫榫哂刑囟ㄒ?guī)格的特定電池創(chuàng)建的。
如果電池種類或規(guī)格發(fā)生改變，集成電路（IC）也需要改變和設(shè)計(jì)適應(yīng)。其測(cè)量精度有限和不斷退化的原因是：（1）集成電路的狀態(tài)估計(jì)是基于電池的一般化表示，沒(méi)有捕捉電池的細(xì)微熱力學(xué)和動(dòng)力學(xué)特性，這些特性可能因電池制造商、規(guī)格和批次而有所不同，即使是采用相同的電解質(zhì)；（2）集成電路有限的計(jì)算能力限制了狀態(tài)估計(jì)算法和底層電池模型的復(fù)雜性和保真度；（3）電池特性隨時(shí)間變化，而硬連線集成電路算法無(wú)法捕獲這些特性，導(dǎo)致隨著時(shí)間的推移越來(lái)越不準(zhǔn)確。
而微處理器可以使用更復(fù)雜、更高保真的電池模型和狀態(tài)估計(jì)算法進(jìn)行編程，這些模型和算法可以根據(jù)特定的電池特性和規(guī)格進(jìn)行微調(diào)。通過(guò)更新?tīng)顟B(tài)估計(jì)算法和電池模型的參數(shù)，可以適應(yīng)不斷變化的電池特性，從而使電力輸出隨著時(shí)間的推移更加精確。這些硬件可用于任何類型的電池，從而實(shí)現(xiàn)終極設(shè)計(jì)靈活性。其缺點(diǎn)可能是組件成本較高，這取決于所需的功能和計(jì)算能力。
信息流
單向信息流在大多數(shù)電池儲(chǔ)能系統(tǒng)中很常見(jiàn)：參數(shù)信息從電池管理系統(tǒng)(BMS)流向更高級(jí)別的系統(tǒng)和用戶界面。如果電池制造商提供電池管理系統(tǒng)(BMS)，則可獲得的低級(jí)信息較少，因?yàn)檫@些信息可能被視為敏感信息。但最重要的信息是與安全和性能相關(guān)的信息，包括充電狀態(tài)（SoC）和健康狀況（SoH）等指標(biāo)。
如果使用微控制器，電池管理系統(tǒng)(BMS)可以處理輸入?yún)?shù)，例如更改操作設(shè)置(例如最大和最小允許電池電壓或SoC，甚至更新電池模型或狀態(tài)估計(jì)算法，以保持其準(zhǔn)確性，因此實(shí)現(xiàn)雙向信息流是可能的。
電池管理系統(tǒng)(BMS)的設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)
一旦確定了合適的電池管理系統(tǒng)(BMS)類型，就可以開(kāi)始進(jìn)行設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)。電池管理系統(tǒng)(BMS)設(shè)計(jì)中最重要的因素是團(tuán)隊(duì)和專業(yè)知識(shí)。
傳統(tǒng)上，電池管理系統(tǒng)(BMS)設(shè)計(jì)一直是電氣工程師的技術(shù)領(lǐng)域，他們確實(shí)是設(shè)計(jì)電路的最佳人選，但通常不太了解電池的內(nèi)部工作原理。而設(shè)計(jì)完美的電池管理系統(tǒng)(BMS)需要電化學(xué)、物理、電氣和電子工程、固件開(kāi)發(fā)和數(shù)據(jù)科學(xué)方面的知識(shí)和技術(shù)。
有了合適的團(tuán)隊(duì)，首先要考慮的是遵守法規(guī)和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，因?yàn)檫@對(duì)硬件和軟件設(shè)計(jì)都有影響。一些法規(guī)和標(biāo)準(zhǔn)通常是特定于國(guó)家和地區(qū)的。
雖然大多數(shù)法規(guī)和標(biāo)準(zhǔn)適用于電池儲(chǔ)能系統(tǒng)，但有些法規(guī)適用于所有電子部件，包括有害物質(zhì)法規(guī)，如歐洲的RoHS和REACH指令。相關(guān)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)主要依賴于應(yīng)用場(chǎng)合和系統(tǒng)規(guī)范。其典型的區(qū)別是住宅和工業(yè)儲(chǔ)能，以及采用的是低電壓還是高電壓。
相關(guān)的工業(yè)儲(chǔ)能系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)包括IEC62619、UL1973、UL9549和VDE-AR-E2510-50。產(chǎn)品和功能的安全是這些標(biāo)準(zhǔn)中最重要的方面。雖然電池管理系統(tǒng)(BMS)不需要作為獨(dú)立組件進(jìn)行認(rèn)證，但它不能阻止電池儲(chǔ)能系統(tǒng)獲得認(rèn)證。因此，建議由獨(dú)立的測(cè)試和認(rèn)證機(jī)構(gòu)(如DNV)對(duì)未來(lái)的標(biāo)準(zhǔn)符合性進(jìn)行測(cè)試和評(píng)估。
