最大限度提高能量存儲電池管理系統中 電池電量監視的準確度和數據完整性

大型電池陣列可以作為備份和連續供電的能量存儲系統，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 系統證明了這一點。這類系統中的電池由電網或其他能源連續充電，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，目前已經有很多種電池備份電源系統了，例如基本的 120/240Vac 和數百瓦功率的臺式 PC 短期備份電源系統，船舶、混合動力汽車或全電動型汽車使用的數千瓦特種車船備份電源系統，電信系統和數據中心使用的電網級數百千瓦備份電源系統 (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而言，還有一個同樣關鍵的部分，那就是電池管理系統 (BMS)。

圖 1：基于電池的備份電源非常適合從數千瓦到數百 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電池管理系統時有很多挑戰，其解決方案絕不是從小型、較低容量電池包的管理系統簡單“擴展”而成。相反，需要新的、更加復雜的戰略以及關鍵的支持組件。

挑戰的起點是，要求很多關鍵電池參數的測量值具備高準確度和可信度。此外，子系統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境還帶來了其他重大挑戰。在逆變器電壓很高 / 電流很大并因此而產生電流尖峰的情況下，BMS 還必須在噪聲極大的電氣環境而且常常是溫度很高的環境中提供精確、一致的數據。此外，BMS 還必須針對內部模塊和系統溫度測量值提供廣泛的 “精細” 數據，而不是有限的幾項粗略的總計數據，因為這些數據對于充電、監視和放電而言是至關重要的。

由于這些電源系統的重要作用，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實，BMS 必須確保數據準確度和完整性以及連續的健康評估，這樣 BMS 才能持續采取所需行動。實現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預期可能出現的問題、執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的行動。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管標準要求。

系統設計將概念轉變成真實世界的成果

盡管監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，但現實中的 BMS 卻很不一樣，要復雜得多。

堅固的設計始于對各節電池的全面監視，這對模擬電路功能提出了一些重要要求。電池讀數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據完整性，同時 BMS 還必須識別錯誤或有問題的讀數。BMS 不能忽視不尋常的讀數，因為這種讀數也許表明有潛在問題，但同時，BMS 又不能根據有錯誤的數據采取行動。

模塊化 BMS 架構提高了堅固性、可擴展性和可靠性。數據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，而模塊化為實現隔離提供了方便。此外，先進的數據編碼格式 [例如循環冗余校驗 (CRC) 差錯檢測和鏈接確認協議] 可確保數據完整性，這樣系統管理電路就可確信，它接收的數據就是所發送的數據。

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) 開發的可擴展和可定制電池管理系統。憑借以可靠性和堅固性作為關鍵指標的電網電能存儲系統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。這種現成有售的 BMS 之主要優勢是其具有三個子系統的分層分級拓撲 (參見圖 2)，這三個子系統各具獨特的功能，如圖 3 所示。

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