最大限度提高能量存儲電池管理系統(tǒng)中 電池電量監(jiān)視的準確度和數(shù)據(jù)完整性

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。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 120/240Vac 和數(shù)百瓦功率的臺式 PC 短期備份電源系統(tǒng)，船舶、混合動力汽車或全電動型汽車使用的數(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。盡管電池化學組成和電池技術領域的進步引起了很大的關注，但是對于一個可行和基于電池的備份系統(tǒng)而言，還有一個同樣關鍵的部分，那就是電池管理系統(tǒng) (BMS)。

圖 1：基于電池的備份電源非常適合從數(shù)千瓦到數(shù)百 kW 功率的固定及移動應用，可為多種應用可靠和有效地供電。

為能量存儲應用實現(xiàn)電池管理系統(tǒng)時有很多挑戰(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“擴展”而成。相反，需要新的、更加復雜的戰(zhàn)略以及關鍵的支持組件。

挑戰(zhàn)的起點是，要求很多關鍵電池參數(shù)的測量值具備高準確度和可信度。此外，子系統(tǒng)的設計必須是模塊化的，以能夠按照應用的特定需求對配置進行定制，還要考慮可能的擴展要求、整體管理問題以及必要的維護。

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)境中提供精確、一致的數(shù)據(jù)。此外，BMS 還必須針對內部模塊和系統(tǒng)溫度測量值提供廣泛的 “精細” 數(shù)據(jù)，而不是有限的幾項粗略的總計數(shù)據(jù)，因為這些數(shù)據(jù)對于充電、監(jiān)視和放電而言是至關重要的。

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鍵性。要把上面這個很容易表述的目標變成現(xiàn)實，BMS 必須確保數(shù)據(jù)準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。實現(xiàn)堅固的設計和可靠的安全性是一個多級過程，BMS 必須針對所有子系統(tǒng)預期可能出現(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?shù)男袆?。最后一個要求是，由于高壓、大電流和大功率，所以 BMS 必須滿足很多嚴格的監(jiān)管標準要求。

系統(tǒng)設計將概念轉變成真實世界的成果

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)實中的 BMS 卻很不一樣，要復雜得多。

堅固的設計始于對各節(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)需要達到毫伏和毫安級準確度，電壓和電流測量值必須是時間同步以計算功率。BMS 必須評估每次測量的有效性，因為它需要最大限度提高數(shù)據(jù)完整性，同時 BMS 還必須識別錯誤或有問題的讀數(shù)。BMS 不能忽視不尋常的讀數(shù)，因為這種讀數(shù)也許表明有潛在問題，但同時，BMS 又不能根據(jù)有錯誤的數(shù)據(jù)采取行動。

模塊化 BMS 架構提高了堅固性、可擴展性和可靠性。數(shù)據(jù)鏈路各部分之間需要隔離，以最大限度降低電氣噪聲的影響，并提高安全性，而模塊化為實現(xiàn)隔離提供了方便。此外，先進的數(shù)據(jù)編碼格式 [例如循環(huán)冗余校驗 (CRC) 差錯檢測和鏈接確認協(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)的可擴展和可定制電池管理系統(tǒng)。憑借以可靠性和堅固性作為關鍵指標的電網(wǎng)電能存儲系統(tǒng)和電源后備設備領域屢屢贏得設計案，Nuvation BMS 設計正在逐步地證明自己的實力。這種現(xiàn)成有售的 BMS 之主要優(yōu)勢是其具有三個子系統(tǒng)的分層分級拓撲 (參見圖 2)，這三個子系統(tǒng)各具獨特的功能，如圖 3 所示。

圖 2：Nuvation Engineering 公司的電池管理系統(tǒng)是 AC 電網(wǎng)和電池陣列之間的接口，該系統(tǒng)以先進的方式監(jiān)督電池充電 / 放電，并提供 DC/AC 逆變器功能。