中國儲(chǔ)能網(wǎng)訊：隨著新能源裝機(jī)和占比的不斷攀升，其發(fā)電的波動(dòng)性給電力系統(tǒng)的運(yùn)行帶來了前所未有的挑戰(zhàn)。儲(chǔ)能能夠平緩新能源出力的波動(dòng)，為電力系統(tǒng)提供各類的輔助服務(wù)，例如調(diào)峰，調(diào)頻，黑啟動(dòng)，AVC等。
這些特性使得儲(chǔ)能成為了新型電力系統(tǒng)的剛需。目前，儲(chǔ)能占比最大的為抽水蓄能電站，其運(yùn)行穩(wěn)定，單體裝機(jī)容量大。但建設(shè)周期長，受到場(chǎng)地的限制，反應(yīng)速率低下，轉(zhuǎn)換效率低下。與此對(duì)應(yīng)，電化學(xué)儲(chǔ)能，特別是鋰離子電池儲(chǔ)能，建設(shè)周期短，效率高，反應(yīng)速率快，逐步成為了抽水蓄能電站一個(gè)有益的補(bǔ)充。
電化學(xué)儲(chǔ)能的最小單元為電芯，以磷酸鐵鋰電芯為例，其電壓為3.2V，現(xiàn)主流儲(chǔ)能電芯的容量為120Ah-280Ah。對(duì)于大規(guī)模電化學(xué)儲(chǔ)能系統(tǒng)來說，整個(gè)架構(gòu)可以分為3個(gè)部分，第一個(gè)部分為電池插箱部分，即把電芯進(jìn)行串聯(lián)放入到一個(gè)殼體當(dāng)中，這個(gè)殼體我們稱為電池插箱（見圖1），電池插箱內(nèi)的電芯通過鋁排進(jìn)行串聯(lián)焊接。電池管理系統(tǒng)的最底層控制單位（BMU）就是用來監(jiān)測(cè)插箱內(nèi)的每顆電芯。第二部分為電池簇部分，即把多個(gè)電池插箱進(jìn)行串聯(lián)形成一個(gè)電池簇。電池簇的電壓要達(dá)到變流器（PCS）所需要的電壓。目前，主流的電力變流器分為1000V和1500V直流系統(tǒng)。對(duì)于1000V系統(tǒng)，需要將256顆280Ah的電芯進(jìn)行串聯(lián)形成一簇電池，即需要256/8=32個(gè)插箱進(jìn)行串聯(lián)。插箱之間的串聯(lián)可以使用銅排連接，這樣的串聯(lián)方式下一簇電池的容量為256*280Ah*3.2 = 229.37kWh。這一層對(duì)應(yīng)于電池管理單元的第二層控制單元（BCMU）即為電池簇管理單元。第三部分為電池堆管理部分，即把多個(gè)電池簇并聯(lián)在一起形成一個(gè)大的儲(chǔ)能電堆。例如把20簇電池并聯(lián)在一起，放入到一個(gè)集裝箱內(nèi)，則這個(gè)集裝箱的電池容量為229.37kWh*20 =4.587MWh。對(duì)于一個(gè)100MWh的電化學(xué)儲(chǔ)能系統(tǒng)，需要22個(gè)集裝箱。電堆是由電池管理系統(tǒng)的第三層控制單元（BA）進(jìn)行控制。圖2展示了電池簇和電池堆示意圖。
1. 電池管理系統(tǒng)BMS系統(tǒng)概述
根據(jù)電池系統(tǒng)的整體架構(gòu)，BMS的系統(tǒng)架構(gòu)也是相對(duì)應(yīng)的（見圖3）。一般來說，大規(guī)模電化學(xué)儲(chǔ)能BMS系統(tǒng)分為三層架構(gòu)。最底層架構(gòu)為BMU，即每一個(gè)電池插箱都會(huì)配置一個(gè)BMU系統(tǒng)，BMU系統(tǒng)通過電壓和溫度采集線采集插箱內(nèi)每顆電芯的電壓和溫度，同時(shí)BMU系統(tǒng)接收簇管理單元（BCMU）系統(tǒng)下發(fā)的指令，控制插箱內(nèi)風(fēng)扇的啟停。此外，BMU裝置還會(huì)通過均衡線束對(duì)插箱內(nèi)的電芯進(jìn)行主動(dòng)均衡，此類均衡電流一般為3A-5A。
位于第二層的控制是對(duì)于每一簇電池的簇管理單元（BCMU），BCMU通過CAN通訊接收來自于BMU上傳的簇內(nèi)每顆電芯的電壓和溫度，同時(shí)采集該簇內(nèi)的電流。此外，BCMU單元根據(jù)內(nèi)部設(shè)置的保護(hù)參數(shù)控制高壓箱內(nèi)的斷路器和接觸器的操作。對(duì)于水冷儲(chǔ)能系統(tǒng)，BCMU還會(huì)來控制整簇的水冷機(jī)組的啟停和功率。第三層的控制為BA系統(tǒng)，它接收整個(gè)電堆的所有電芯的數(shù)據(jù)。同時(shí)，它和PCS和儲(chǔ)能系統(tǒng)的后臺(tái)EMS進(jìn)行通訊，實(shí)時(shí)把電芯數(shù)據(jù)上傳給后臺(tái)EMS監(jiān)控，并把相關(guān)的告警和保護(hù)動(dòng)作情況上傳給EMS系統(tǒng)。當(dāng)發(fā)生緊急故障的時(shí)候，BA會(huì)通過干節(jié)點(diǎn)和PCS通訊，控制PCS緊急停機(jī)。
一個(gè)好的BMS系統(tǒng)將在預(yù)期的工作條件和環(huán)境內(nèi)，從輸入中生成準(zhǔn)確的輸出。有一些外部的環(huán)境可能會(huì)干擾BMS系統(tǒng)的正確輸出，例如環(huán)境溫度對(duì)SOC計(jì)算精度的影響，又或者是接觸器并沒有按照指令正確動(dòng)作等，這就要求BMS系統(tǒng)有非常強(qiáng)的魯棒性。圖4顯示了簡單框架下電池管理系統(tǒng)的輸入/輸出量。
對(duì)于BMS的軟件功能可以分為底層設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序、硬件接口程序和上位機(jī)計(jì)算決策程序。對(duì)于BMU系統(tǒng)來說，它的主要功能是采集每顆電壓和溫度并上傳給BCMU。BMU只做最簡單的邏輯控制，例如電壓和溫度是否越界告警，并把此告警信號(hào)上傳。BCMU作為簇管理單元，會(huì)利用相對(duì)復(fù)雜的算法和模型評(píng)估電芯的運(yùn)行狀態(tài)，并把數(shù)據(jù)進(jìn)一步上傳給BA。BA應(yīng)是一個(gè)有大量數(shù)據(jù)處理功能的計(jì)算機(jī)并配置數(shù)據(jù)庫。它能夠進(jìn)行歷史數(shù)據(jù)分析并對(duì)電芯模型進(jìn)行進(jìn)一步優(yōu)化，優(yōu)化完成后將最新的模型下發(fā)給BCMU單元。只有這樣的分層控制，才能滿足BMS的控制實(shí)時(shí)性和精準(zhǔn)性。
2. BMS硬件部分
硬件架構(gòu)
大規(guī)模電化學(xué)儲(chǔ)能BMS的硬件架構(gòu)可分為兩類，第一類為分布式架構(gòu)，另一類為半分布式架構(gòu)（見圖5）。分布式體系架構(gòu)已經(jīng)在上一小節(jié)中進(jìn)行了闡述。它的主要特點(diǎn)是高度的模塊化，在今后具有高度集成的系統(tǒng)可能會(huì)將檢測(cè)充電電路直接合并到電池模塊中。對(duì)于半分布式架構(gòu)，其中的電池管理單元對(duì)一個(gè)電池插箱負(fù)責(zé)，它可以與高壓測(cè)量和控制設(shè)備一起操作。該模塊可包含高壓測(cè)量，接觸器或繼電器、熔絲和電流傳感器或分流器。這樣的模塊使得系統(tǒng)更容易進(jìn)行縮放。
電池管理系統(tǒng)的供電電源有幾種可能的來源。電池管理系統(tǒng)可以直接由電池組的電池供電，也可以完全由外部控制電源供電。幾種供電方式各有優(yōu)缺點(diǎn)。如果由電池組進(jìn)行供電，那么它具備黑啟動(dòng)的功能，即外部的供電電壓失去后（包括UPS系統(tǒng)），BMS還是能夠檢測(cè)到儲(chǔ)能系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)，支持儲(chǔ)能系統(tǒng)的黑啟動(dòng)。但該供電方式是在電池端取電，長期以往會(huì)導(dǎo)致電池的電壓下降（即增大了電芯的自放電），并且由于電芯內(nèi)部的不一致性導(dǎo)致電池電壓下降的幅度不一致，導(dǎo)致整個(gè)儲(chǔ)能系統(tǒng)的電芯的不一致性會(huì)加大。如果BMS系統(tǒng)是由外部供電，則不存在上述問題，但當(dāng)外部供電消失后，BMS系統(tǒng)也退出運(yùn)行。因此我們可以在BMS內(nèi)部設(shè)置一個(gè)切換裝置，正常情況，BMS可以由外部電源供電，在外部電源缺失的情況下，可以切換至電池供電，從而結(jié)合兩者的優(yōu)勢(shì)，進(jìn)一步提升了系統(tǒng)的可靠性。
測(cè)量電壓測(cè)量
電池測(cè)量電路應(yīng)向電池單元提供高直流阻抗，以最大程度地減少寄生功耗。除了保持較低的功耗外，不同電芯之間的功耗差異不要太大，因?yàn)檫@樣會(huì)加劇電池單元的不平衡并降低電池性能。在系統(tǒng)待機(jī)下，要減少其待機(jī)電流，確保電池管理系統(tǒng)不會(huì)耗盡電池電量。因此，降低測(cè)量電路的能耗幾乎是所有電池管理系統(tǒng)架構(gòu)的共同目標(biāo)。
BMU會(huì)對(duì)插箱內(nèi)所有電芯進(jìn)行電壓測(cè)量，同時(shí)它還可以采集整個(gè)插箱電壓。通過這些冗余的數(shù)據(jù)可以很好的檢測(cè)許多可能的故障。換而言之，插箱內(nèi)單體電芯電壓之和應(yīng)該等于整個(gè)插箱電壓。要使用這些測(cè)量來分析電芯電壓采集的系統(tǒng)誤差并做出對(duì)等的校正，這樣可以防止由于主要測(cè)量誤差引起的過度充電和過度放電的危險(xiǎn)。對(duì)于冗余配置的電壓測(cè)量，求其平均值可以更好的提高其測(cè)量精度。
另外，電壓測(cè)量的精度影響了電芯正常的電壓工作范圍。假設(shè)存在一個(gè)測(cè)量誤差DelatV，那么對(duì)于一個(gè)測(cè)量電壓Vm，它真正的電池電壓是位于[Vm-DeltaV, Vm+DeltaV]之間的區(qū)域的。為了保證電芯在規(guī)定的充放電范圍內(nèi)，在充電時(shí)候BMS控制單體電芯最高電壓應(yīng)為規(guī)定的上限電壓減去測(cè)量誤差DelatV，從而避免過充。與之對(duì)應(yīng)，在放電時(shí)候的最低電壓應(yīng)為規(guī)定的下限電壓加上測(cè)量誤差DelatV，從而避免過放。這就無形中減少了電芯的充放電電壓的范圍。此外，電壓測(cè)量精度直接影響了SOC的計(jì)算精度。在給定電壓下的函數(shù)SOC(V),則實(shí)際的SOC的范圍為[SOC(Vm-DeltaV),SOC(Vm+DeltaV)],由于不同SOC范圍的電壓變化率也有不同，因此SOC計(jì)算誤差是和DeltaV和SOC(V)的斜率成正比的。
電流測(cè)量
組串電流的測(cè)量是電池管理系統(tǒng)測(cè)量的另一個(gè)基本電池電量，由于與電壓測(cè)量相同的原因，可能需要執(zhí)行多個(gè)冗余電流傳感器測(cè)量。電流傳感器的選擇需要考慮傳感器測(cè)量范圍有足夠的空間，因?yàn)橐恍y(cè)量誤差的大小取決于所用電流傳感器的滿量程。此外，對(duì)于電池電流會(huì)快速變化的應(yīng)用場(chǎng)景，還需要考慮傳感器的帶寬和頻率響應(yīng)，使得傳感器足夠快的捕獲動(dòng)態(tài)電流的變化。
分流器：分流器是一個(gè)阻值非常低的精密電阻，分流電阻足夠小，使得在電池系統(tǒng)的大功率電流路徑中該電壓降可忽略不計(jì)，但也大到足以被電池管理系統(tǒng)測(cè)量。分流器的原理圖如圖6所示：
分流器價(jià)格便宜,種類繁多，并且不需要外部電源。通常，分流器的測(cè)量精度能夠達(dá)到0.1%-0.5%。此外，分流器放大器電路需要高共模抑制比、低直流偏移、高增益以及良好的熱穩(wěn)定性等（見圖7）。對(duì)于寬溫度范圍內(nèi)運(yùn)行的系統(tǒng)，電池管理系統(tǒng)必須考慮分流器電阻隨溫度變化的情況。
霍爾效應(yīng)傳感器：霍爾效應(yīng)是在磁場(chǎng)存在下產(chǎn)生與電流成比例的電壓。與分流器不同，霍爾效應(yīng)傳感器必須由外部電源供電。霍爾效應(yīng)傳感器有開環(huán)和閉環(huán)兩類。閉環(huán)型在磁心周圍包括一個(gè)額外的線圈。通過控制線圈的電流大小和方向，磁心中的總磁通可以設(shè)置為零，所需的電流大小和電池電流成正比。閉環(huán)傳感器有更高的準(zhǔn)確度和反應(yīng)時(shí)間，不易產(chǎn)生磁飽和，但體積大，成本高。
大多數(shù)霍爾效應(yīng)傳感器存在零偏移誤差。它隨著溫度的變化而變化，這樣的誤差對(duì)于用安時(shí)積分計(jì)算的SOC有很大的影響。例如對(duì)于偏移誤差在0.001C的電流傳感器，在運(yùn)行一周后會(huì)累計(jì)16.8%的SOC誤差。因此，在霍爾效應(yīng)傳感器中使用零漂移補(bǔ)償和零電流消除來降低零偏移誤差帶來的影響。
電流和電壓同步
BMS系統(tǒng)在對(duì)電芯運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行判斷的時(shí)候，需要輸入同步的電壓和電流的采集數(shù)據(jù)。電流和電壓采集同步最簡單的方法就是在非常短的時(shí)間內(nèi)采集所有的電壓和電流，使得差異可以忽略不記。此外，可以利用時(shí)間戳添加到測(cè)量設(shè)備中，以確保準(zhǔn)確的電池狀態(tài)估計(jì)。
溫度測(cè)量
BMS很重要的功能就是根據(jù)電芯的溫度進(jìn)行熱管理來確保電芯在規(guī)定的溫度范圍內(nèi)運(yùn)行，同時(shí)控制同一個(gè)電堆/電池簇的溫度差在合理的范圍內(nèi)。熱敏電阻是在嵌入式系統(tǒng)中測(cè)量溫度最為常見的器件之一。熱敏電阻的電阻值隨溫度變化而變化，它分為負(fù)溫度系數(shù)（NTC），即熱敏電阻的電阻值隨溫度降低而增加和正溫度系數(shù)（PTC），即熱敏電阻的電阻值隨溫度升高而增加。
正常情況下，鋰離子電池的運(yùn)行范圍為-5度到35度，在這個(gè)范圍內(nèi)要求熱敏電阻測(cè)量有非常高的準(zhǔn)確度，同時(shí)電芯也有可能發(fā)生熱失控等異常情況，這就要求熱敏電阻有一個(gè)非常寬范圍的測(cè)量，但在上面的溫度測(cè)量范圍外，可以降低測(cè)量的精度。在溫度測(cè)量的設(shè)計(jì)中，應(yīng)該考慮以下二個(gè)個(gè)方面：
在電池系統(tǒng)中，被測(cè)量的最高/最低電壓和實(shí)際的電芯的最高/最低電壓的差值有多大。因?yàn)殡姵乇旧砜赡軙?huì)有熱梯度，這就需要在不同的實(shí)驗(yàn)環(huán)境下，測(cè)量這個(gè)實(shí)際的最大差值。
在最大的功率充放電的情況下，測(cè)量的溫度比電芯的溫度低多少？BMS的溫度測(cè)量只能是電池表面的溫度，但實(shí)際上電芯內(nèi)部溫度和電池表面溫度存在差異。在極端情況下，需要判斷電芯的內(nèi)部溫度是否超過了安全溫度范圍，這個(gè)需要在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)各個(gè)不同工況條件下詳細(xì)認(rèn)證。
需要考慮的一個(gè)情況是，單個(gè)電芯可能發(fā)生內(nèi)部短路，并開始溫度升高甚至進(jìn)入熱失控狀態(tài)。BMS需要在最短的時(shí)間內(nèi)通過其溫升速率，溫度范圍等指標(biāo)來進(jìn)行判斷，從而把故障非?？焖俚那谐?。
接觸器控制
在電池管理系統(tǒng)中，接觸器控制具有重要的功能。如果接觸器無法正常的工作，則沒有辦法在異常情況下切斷電流，防止電池的過充和過放。電池管理系統(tǒng)需要有判斷接觸器故障的能力，包括無法打開和無法閉合的接觸器。焊接而無法斷開的接觸器會(huì)造成潛在的威脅。
接觸器都有其額定的最大壽命，這個(gè)壽命是接觸器在各種開斷工況下可以承受的最大循環(huán)次數(shù)。
軟起動(dòng)和預(yù)充電路
在多支路的儲(chǔ)能系統(tǒng)中，BCMU中需要具有軟起動(dòng)功能或者預(yù)充電功能的電路，以緩解不同簇之間由于壓差過大并聯(lián)在同一個(gè)母線上導(dǎo)致的大環(huán)流。這種環(huán)流會(huì)對(duì)接觸器造成較大的傷害。一般情況下，接觸器應(yīng)該在較小的壓差下閉合，直到觸點(diǎn)完全閉合后才應(yīng)流過電流。解決此類問題的最常用的方法就是使用軟起動(dòng)電路（見圖8）。該電路利用一個(gè)電阻和附加接觸器進(jìn)行串聯(lián)，然后再并聯(lián)到一個(gè)主接觸器上。
當(dāng)電池系統(tǒng)準(zhǔn)備并入到直流母線上時(shí)，支路的接觸器會(huì)閉合，以通過預(yù)充電路的電阻，將電流限制在合理的范圍內(nèi)。當(dāng)電池系統(tǒng)電壓逐步上升和直流母線的電壓差足夠小時(shí)，則閉合主接觸器有效的把預(yù)充電路進(jìn)行短路，然后再打開預(yù)充電路的接觸器。
為了提高系統(tǒng)的可靠性，BMS會(huì)使用多個(gè)接觸器。如果一個(gè)接觸器被焊接，則第二個(gè)接觸器可以提供一個(gè)有效的隔離方式
接觸器故障檢測(cè)
接觸器故障檢測(cè)一般有兩種方法，一種方法是對(duì)實(shí)際高壓系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)量確定接觸器兩側(cè)之間是否存在導(dǎo)電路徑；另一種方法是安裝輔助觸頭。通常，輔助觸點(diǎn)策略需要額外的輸入和接線，并導(dǎo)致與輔助觸點(diǎn)操作不當(dāng)相關(guān)的更多的故障模式。高壓測(cè)量方法可以直接檢測(cè)接觸器電路的當(dāng)前狀態(tài)，并且具有更高的容錯(cuò)能力。針對(duì)于接觸器故障的判斷可以根據(jù)接觸器返回的斷合狀態(tài)與電池簇中電流/電壓測(cè)量值進(jìn)行一個(gè)邏輯判斷。
熱管理系統(tǒng)
無論是電池的可用容量和電芯在循環(huán)過程的衰減程度和電芯運(yùn)行過程中的溫度相關(guān)。因此儲(chǔ)能系統(tǒng)會(huì)配置風(fēng)冷、液冷以及沉浸式液冷等冷卻方式。但無論是什么冷卻方式，其目標(biāo)就是兩方面。一方面是同一簇電芯的溫度差越低越好（組串式方案），即讓同一簇電芯的電芯衰減盡可能趨于一致。另一方面是整簇電芯的平均溫度在25度左右，偏差越小越好，即讓電芯的運(yùn)行環(huán)境更加逼近于實(shí)驗(yàn)室的測(cè)試環(huán)境。此外，熱管理系統(tǒng)也需要考慮其用電情況，因?yàn)樗挠秒娏繉⑷坑?jì)入儲(chǔ)能系統(tǒng)的自用電，如果用電量過大會(huì)影響整個(gè)儲(chǔ)能系統(tǒng)的效率。因此，在設(shè)計(jì)熱管理的相關(guān)策略，需要尋找一個(gè)運(yùn)行平衡點(diǎn)，即在最小自用電的情況下，達(dá)到冷卻的兩個(gè)目標(biāo)函數(shù)。對(duì)于風(fēng)冷系統(tǒng)，應(yīng)盡可能減少電芯在一個(gè)插箱內(nèi)的數(shù)量，以便于更好的控制每顆電芯的溫度變化。以280Ah電芯為例，8顆電芯配置為一個(gè)插箱，在每一個(gè)插箱內(nèi)配置單獨(dú)的BMU和風(fēng)扇來控制整個(gè)插箱的溫度差和平均溫度，其溫度差能夠在5度以內(nèi)。
電磁兼容
大規(guī)模儲(chǔ)能系統(tǒng)是有非常復(fù)雜的電磁環(huán)境，其中一個(gè)重要的干擾源來自于多個(gè)PCS并聯(lián)運(yùn)行的載波。載波不同步造成的高頻干擾可以通過直流側(cè)的對(duì)地電容反饋到電池側(cè)。這個(gè)干擾的峰峰值可以達(dá)到上千伏。如何在強(qiáng)電磁干擾環(huán)境下，依舊可以精確的采集電芯的電壓和溫度對(duì)BMS來說是一個(gè)挑戰(zhàn)。在理想情況下，低壓和高壓系統(tǒng)相互獨(dú)立，互不干擾，但在實(shí)際運(yùn)行過程中，低電流還是會(huì)穿過隔離裝置。這就需要BMS必須進(jìn)行嚴(yán)格的EMC測(cè)試。
絕緣檢測(cè)
在儲(chǔ)能系統(tǒng)中，電池插箱等帶有絕緣高壓元件與接地/箱體接地之間存在寄生電容和電導(dǎo)。這些寄生元件需要進(jìn)行特別的考慮。因此電池管理系統(tǒng)中應(yīng)該加入離線或在線的絕緣檢測(cè)電路。圖9簡單介紹一個(gè)絕緣檢測(cè)電路。
通過兩次測(cè)量可以計(jì)算出Rfault的值。對(duì)于每次測(cè)量，將已知電阻Riso接入到接地與電池的正極和負(fù)級(jí)之間，并測(cè)量電阻上的電壓。當(dāng)測(cè)量電阻Riso接入時(shí)，它和Y型電容形成了一個(gè)RC電路。電容器必須充滿之后才能進(jìn)行測(cè)量。這就決定了進(jìn)行這種測(cè)量所需要的最小時(shí)間。
3. BMS軟件部分
電池模型
在電池管理系統(tǒng)中，電池建模的目的是創(chuàng)建能夠?qū)⑷菀诇y(cè)量的物理量（例如電壓，溫度和電流）來計(jì)算不能夠直接測(cè)量的物理量（例如SOC和SOH等）。對(duì)于鋰離子電池來說，鋰離子的開路電壓Voc和SOC是一一對(duì)應(yīng)的關(guān)系，該關(guān)系可以通過SOC-OCV曲線來表示。即可以通過電池模型實(shí)時(shí)的計(jì)算出電池的開路電壓Voc，從而能夠測(cè)量出電池的實(shí)時(shí)SOC值。但在實(shí)際測(cè)量過程中，電池有明顯的滯后現(xiàn)象。一個(gè)經(jīng)典的實(shí)驗(yàn)是采用完全相同的電池，一個(gè)完全充電，一個(gè)完全放電，并從相反的方向接近相等的SOC值，但這兩個(gè)測(cè)量的電壓是不相等的。這在充放電過程中，分別生成了充電的SOC-OCV曲線和放電的SOC-OCV曲線。在實(shí)際應(yīng)用當(dāng)中，會(huì)在充放電曲線中間繪制一條曲線可以近似于給定SOC的零滯后電壓。
若給定電池一定規(guī)律的充放電電流的時(shí)候，電池對(duì)外表現(xiàn)出來的特性并不完全是電阻的線性特性。因此，根據(jù)電池所表現(xiàn)出來的階躍和沖激響應(yīng)可以得出電池的二階模型，如圖10所示。
對(duì)于電池模型來說，如何精準(zhǔn)的判斷電池模型的參數(shù)是十分重要的，在后續(xù)的參數(shù)識(shí)別算法中會(huì)進(jìn)行說明。
參數(shù)識(shí)別
在自適應(yīng)模型參數(shù)中，通過電流和電壓的關(guān)系來確定模型的參數(shù)。即通過不斷的調(diào)整模型的參數(shù)，使得模型輸出的電流和電壓的關(guān)系與實(shí)際測(cè)量的電流/電壓曲線相吻合。在參數(shù)識(shí)別算法中，最為典型的為遞歸最小二乘法。
觀察電池測(cè)試的一系列數(shù)據(jù)點(diǎn)，將實(shí)際測(cè)量的電流值輸入模型當(dāng)中，通過模型計(jì)算可以得出電壓值。模型預(yù)測(cè)的電壓值和實(shí)際測(cè)量的電壓值之間的誤差大小是衡量模型好壞的一個(gè)重要的標(biāo)準(zhǔn)。我們希望能夠找到一組參數(shù)的模型，使得這個(gè)誤差能夠達(dá)到最小值。因此，這個(gè)誤差函數(shù)可以作為目標(biāo)函數(shù)，每次將目標(biāo)函數(shù)對(duì)各參數(shù)進(jìn)行求導(dǎo)并不斷更新模型參數(shù)值，直到達(dá)到預(yù)期的效果。
對(duì)于電芯，可以利用參數(shù)辨識(shí)的方式判斷電芯的運(yùn)行狀態(tài)，即判斷其內(nèi)部的阻抗值是否在合理的區(qū)間內(nèi)，通過對(duì)電芯參數(shù)等級(jí)的劃分可以將電芯的健康狀態(tài)分為健康狀態(tài)、亞健康狀態(tài)、故障預(yù)警和故障狀態(tài)等四類。通過這樣的方式，可以將快要故障的電芯及時(shí)的進(jìn)行更換，避免大的事故發(fā)生。
確定儲(chǔ)能系統(tǒng)安全運(yùn)行區(qū)域
根據(jù)電芯的運(yùn)行特性，電池管理系統(tǒng)需要對(duì)儲(chǔ)能系統(tǒng)的安全運(yùn)行區(qū)域進(jìn)行劃分。如果該區(qū)域過于保守，則儲(chǔ)能系統(tǒng)的性能不能得到很好的發(fā)揮，影響儲(chǔ)能系統(tǒng)運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性。如果該區(qū)域過于激進(jìn)，則儲(chǔ)能系統(tǒng)的衰減加劇，甚至威脅到儲(chǔ)能運(yùn)行的安全。對(duì)于儲(chǔ)能系統(tǒng)來說，以下幾個(gè)信息來劃分整個(gè)儲(chǔ)能系統(tǒng)的運(yùn)行安全區(qū)域：
單體電芯電壓值，即可以運(yùn)行的單體電芯的最大和最小電壓值是多少。
單體電芯溫度值，即正常運(yùn)行的最高溫度限制是多少？熱失控和其他破壞性影響開始出現(xiàn)的臨界溫度是多少？作為給定的熱管理系統(tǒng)，要使得電芯溫度在合理的范圍內(nèi)，其最大的充放電電流是多少？
最大的充放電電流值，即電池最大的充放電倍率是多少？在電池恒功率運(yùn)行的情況下，最大充放電電流值和組端電壓值可以計(jì)算出當(dāng)時(shí)儲(chǔ)能系統(tǒng)的最大的可充放電功率。
在標(biāo)準(zhǔn)充放電過程中，臨界電壓變化率，即電壓變化率反映其SOH值及其他故障信息。
在標(biāo)準(zhǔn)充放電過程中，臨界溫度變化率。
SOC值，即電芯的充放電深度DoD是多少？均衡策略
由于儲(chǔ)能系統(tǒng)是由大量的電芯串并聯(lián)組成的，因此它有明顯的木桶效應(yīng)。即整個(gè)電池簇的性能是受到SOH最小的那顆電芯的限制。因此，儲(chǔ)能的循環(huán)壽命并不等于電芯的循環(huán)壽命，儲(chǔ)能的充放電容量并不等于電芯的充放電容量乘以電芯的個(gè)數(shù)。
如圖11所示，當(dāng)電芯的SOH一致（容量一樣），SOC不一致（剩余電量不一樣）的情況下，在充電的過程中，中間那顆電芯充滿后，同一簇串聯(lián)的電芯就算沒有充滿也無法繼續(xù)進(jìn)行充電。在放電的過程中，最右邊的電芯放空后，其余同一簇的電芯也無法繼續(xù)放電。這就是儲(chǔ)能系統(tǒng)中由于串并聯(lián)連接后導(dǎo)致的木桶效應(yīng)。儲(chǔ)能系統(tǒng)集成其中一個(gè)核心的目標(biāo)就是要降低這種木桶效應(yīng)帶來的影響，使得系統(tǒng)的循環(huán)壽命逼近單體電芯的循環(huán)壽命。
對(duì)于儲(chǔ)能系統(tǒng)出現(xiàn)的不均衡現(xiàn)象，可以通過電池管理系統(tǒng)的均衡方式來解決。BMS的均衡從方式上分可以分為主動(dòng)均衡和被動(dòng)均衡。主動(dòng)均衡策略又分為以下幾類：
電容均衡電路：
圖12所示電容均衡電路，在S1a閉合的情況下，電芯1給C12電容進(jìn)行充電，然后關(guān)閉S1a，閉合S1b，C12給電芯2進(jìn)行充電。因此通過電容的中介來對(duì)電芯中不平衡的電量進(jìn)行轉(zhuǎn)移。這樣的均衡電路只能從電壓高的電芯轉(zhuǎn)移到電量低的電芯。但在實(shí)際過程中，我們希望依據(jù)SOC值來進(jìn)行均衡，即有的電芯由于他容量比較少，所以電壓變化很快，在一個(gè)時(shí)刻它的電壓高，但在下個(gè)時(shí)刻它的電壓就會(huì)下降的很快，在這樣的情況下，我們不希望進(jìn)行電量的轉(zhuǎn)移。此外，開關(guān)順序的錯(cuò)誤會(huì)導(dǎo)致安全問題。
電感均衡電路（圖13）：
在均衡過程中，電荷可以從n+1電芯傳遞到n電芯。閉合S1，則電芯給電感L1進(jìn)行充電，將電量存儲(chǔ)在電感中，然后打開S1，電流經(jīng)過二極管D1給電芯n進(jìn)行充電。如果要實(shí)現(xiàn)電芯n到電芯n+1的電荷轉(zhuǎn)移，則控制開關(guān)S2。該方法不要求電池單元n+1的電壓高于電池單元n，也不受電壓差的限制。該方法需要選擇合適的電感大小、開關(guān)頻率來實(shí)現(xiàn)所需要的平衡電流，而不應(yīng)該使電感過于飽和。這個(gè)電路最大的缺點(diǎn)就是電路只能將能量從一個(gè)電池轉(zhuǎn)移到另一個(gè)電池，如果能量在大量的電池之間傳遞，那么這種傳遞效率將會(huì)顯著降低。
DC/DC均衡電路（圖14）：
通過隔離的DC/DC電路，可使得單個(gè)電池和另一個(gè)電池進(jìn)行能量的轉(zhuǎn)移。這樣的架構(gòu)可以在選擇同一簇中任意的兩顆電芯進(jìn)行均衡。在實(shí)際應(yīng)用中，會(huì)加入電芯選擇單元，從而降低DC/DC模塊的數(shù)量，降低整個(gè)的成本。
被動(dòng)均衡電路：被動(dòng)均衡電路的主要原理是將剩余電量較大的電芯自動(dòng)向電阻進(jìn)行放電，從而降低它的剩余電量，使其和其他電芯的電量趨于一致。現(xiàn)有的監(jiān)控集成電路（AFE）采集芯片內(nèi)部都會(huì)自帶被動(dòng)均衡的功能，具體的示意圖如圖15所示。
AFE芯片可以輸出BAL信號(hào)驅(qū)動(dòng)MOS管的開斷，從而對(duì)單體電芯進(jìn)行均衡。均衡電阻的選型必須謹(jǐn)慎處理，如果使用PCB貼片電阻，則它是發(fā)熱量最大的元器件。被動(dòng)均衡電路結(jié)構(gòu)簡單，成本較低，但其均衡效果不如主動(dòng)均衡電路。
電池荷電狀態(tài)SOC計(jì)算
SOC主要表示當(dāng)前電池可釋放的荷電量（庫侖）除以電池在充滿電狀態(tài)下的總荷電量的比值。需要注意的是SOC和SOE（內(nèi)部有效容量）是有區(qū)別的，SOE是充放電曲線下對(duì)應(yīng)的面積。對(duì)于SOC的計(jì)算，需要考慮以下方面的內(nèi)容：
庫侖效率：鋰離子電池的庫侖效率幾乎都在99%左右。因此，在充放電公式當(dāng)中會(huì)加入庫倫效率因子。
電池端電壓的變化：在實(shí)際的充放電過程中，電池端并不是一個(gè)理想的電壓源，它的電壓是隨著充放電過程中不斷變化的，即在每個(gè)相同的時(shí)間間隔它的有效容量SOE是不一致的。
容量隨溫度的變化而變化：電池的容量是和其溫度存在一種非線性的關(guān)系。
容量隨充放電倍率而變化：在較高的放電倍率的情況下，其容量會(huì)降低。
充滿電和完全放電的曲線不一致：這里主要是由極化和磁滯效應(yīng)產(chǎn)生的結(jié)果。
由于以上等多個(gè)因素的影響，對(duì)于精準(zhǔn)計(jì)算SOC（誤差率小于3%）是一個(gè)非常大的挑戰(zhàn)?，F(xiàn)有計(jì)算SOC的方法也有很多種，包括了安時(shí)積分、開路電壓曲線、卡拉曼濾波以及各類AI智能算法等。
安時(shí)積分的方法主要取決于電流測(cè)量的精度，由于采用積分算法，其誤差是不斷的累加，此外該算法需要一個(gè)初始的SOC值。但安時(shí)積分在短時(shí)間內(nèi)的計(jì)算是非常精準(zhǔn)的，它可以作為其他算法中非常有用的輔助的基準(zhǔn)。此外，該方法沒有考慮溫度對(duì)SOC值的影響。在低溫情況下，電芯的有效容量會(huì)降低，因此一般會(huì)在安時(shí)積分的基礎(chǔ)上加入一個(gè)溫度修正系數(shù)。
開路電壓曲線方法需要電池處于幾個(gè)小時(shí)的靜置狀態(tài)，然后查詢SOC-OCV曲線來獲取SOC的值。一般來說當(dāng)電芯的充放電曲線處于平臺(tái)期的時(shí)候，其10mV左右的偏差能夠?qū)е?0%左右的SOC的誤差。因此該方法常用來修正安時(shí)積分方法中的初始SOC值。
卡爾曼濾波是一種基于電池模型狀態(tài)估計(jì)的基礎(chǔ)上來計(jì)算SOC值，對(duì)于電芯來說，其電壓和電流可以被測(cè)量，通過模型參數(shù)和輸入的電流電壓可以測(cè)算出電芯的開路電壓，再通過SOC-OCV曲線可以獲取電芯的SOC值。由于卡爾曼濾波主要是用于線性系統(tǒng)，因此其擴(kuò)展卡爾曼濾波（EKF）和無跡卡爾曼濾波（UKF）用于電池系統(tǒng)的SOC估算。相對(duì)于EKF來說，UKF規(guī)避了雅可比矩陣的計(jì)算，因此能夠獲得更為精準(zhǔn)的SOC值?？柭鼮V波的計(jì)算不受初始值誤差的影響，只需要獲得上一個(gè)時(shí)間的狀態(tài)變量值，因此對(duì)于嵌入式系統(tǒng)來說最大限度降低了內(nèi)存要求。
各類AI智能算法是利用電芯的滿充滿放數(shù)據(jù)對(duì)例如神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)進(jìn)行訓(xùn)練，然后利用訓(xùn)練好的額神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)實(shí)時(shí)輸入的數(shù)據(jù)進(jìn)行SOC的計(jì)算。該方法對(duì)SOC的估算有較高的準(zhǔn)確率。但其需要大量的訓(xùn)練數(shù)據(jù)，并且對(duì)訓(xùn)練數(shù)據(jù)的標(biāo)定也是一個(gè)非常復(fù)雜的過程。但該算法筆者認(rèn)為是一個(gè)發(fā)展方向。
剩余容量SOH計(jì)算
電芯的容量會(huì)隨著充電/放電循環(huán)次數(shù)和總的運(yùn)行時(shí)間的推移而衰減。電池的SOH值主要是和電池的有效容量、阻抗和自放電率相關(guān)。對(duì)于SOH的計(jì)算，可以建立一個(gè)近似函數(shù)來模擬容量的衰退，例如電池在C(k)期間的容量可以表示為下列參數(shù)的函數(shù):
電池在上一周期的容量C(k-1)
周期k-1期間的溫度T(k-1)
周期k-1期間的充放電電流I(k-1)
周期k-1期間的SOC值SOC(k-1)
周期k-1期間的持續(xù)時(shí)間t(k-1)
初始容量C0
總運(yùn)行時(shí)間t(k)
利用各類時(shí)間序列預(yù)測(cè)算法，可以通過歷史數(shù)據(jù)來推算實(shí)際SOH值。
此外，SOH值和內(nèi)部阻抗值存在一定的關(guān)系，可以通過測(cè)試內(nèi)部阻抗來估算SOH值。我們可以用線性最小二乘法擬合一系列電壓和電流有序?qū)?，從而獲得相對(duì)比較精確的直流歐姆阻抗估測(cè)值。利用最小二乘法得出的回歸線的斜度等于阻抗，而回歸線的截距則代表非IR電壓值。此外，檢測(cè)電流的階躍變化近似值，還可以測(cè)量相應(yīng)的瞬時(shí)電壓變化。DeltaV/DeltaI的比值可用于計(jì)算該處的歐姆電阻，如圖16所示。
對(duì)于大規(guī)模儲(chǔ)能系統(tǒng)來說，它的運(yùn)行方式一般會(huì)有滿充和滿放，通過這樣的一個(gè)循環(huán)能夠很好的估算電芯的可用容量。但電芯的可用容量是和溫度相關(guān)的一個(gè)值，因此在判斷容量變化的過程中，最好是一同一個(gè)溫度來進(jìn)行滿充和滿放或者利用溫度校準(zhǔn)系數(shù)來修正容量值。
運(yùn)行模式
BMS系統(tǒng)會(huì)采用一個(gè)或多個(gè)有限狀態(tài)機(jī)的算法，負(fù)責(zé)控制電池的運(yùn)行狀態(tài)。這些狀態(tài)機(jī)將響應(yīng)外部命令以及檢測(cè)電池系統(tǒng)內(nèi)部的各個(gè)情況。一般情況下，電池系統(tǒng)有“低功耗”或“休眠”模式工作狀態(tài)。在這種模式下，系統(tǒng)應(yīng)盡量少從高壓電池堆控制電源的能量消耗，否則會(huì)加劇電芯的不一致性。
即使電池系統(tǒng)在不運(yùn)行的狀態(tài)，將BMS從睡眠模式定期喚醒也是非常有必要的。一是為了更準(zhǔn)確地估計(jì)荷電狀態(tài)并對(duì)電芯做相應(yīng)的均衡；二是可以對(duì)電池進(jìn)行各種缺陷的檢測(cè)，包括自放電等。圖17給出了BMS系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)機(jī)的示例。
4. 小結(jié)
大規(guī)模儲(chǔ)能系統(tǒng)的BMS是一個(gè)非常復(fù)雜的系統(tǒng)，它需要考慮儲(chǔ)能系統(tǒng)的各種失效工況并對(duì)應(yīng)做出合理的保護(hù)動(dòng)作，從而使得儲(chǔ)能系統(tǒng)運(yùn)行在一個(gè)合理和安全的范圍內(nèi)。電池管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)可以分為硬件部分和軟件部分。硬件部分包括了嵌入式的采集電路，主控電路和均衡電路以及電氣設(shè)備的斷路器，接觸器等。其中電芯電壓和溫度采集的精度尤為重要，這是給軟件部分提供的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)也是保護(hù)動(dòng)作的基本依據(jù)。軟件部分包括了電芯SOC、SOH的計(jì)算，電芯狀態(tài)的智能化分析等。SOC和SOH值給電池的均衡提供了依據(jù)，SOC/SOH計(jì)算的精度影響了儲(chǔ)能系統(tǒng)的均衡效率。儲(chǔ)能系統(tǒng)均衡的好壞決定了儲(chǔ)能系統(tǒng)的循環(huán)壽命逼近電芯循環(huán)壽命的程度。因此，BMS的軟硬件是一個(gè)相輔相成的系統(tǒng)性工程，需要對(duì)電芯的運(yùn)行特性進(jìn)行深入的分析，從頂層設(shè)計(jì)開始，充分考慮到每一個(gè)細(xì)節(jié)才能成就一個(gè)高效可靠的電池管理系統(tǒng)。
