隨著新能源汽車和儲(chǔ)能產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，電池在傳統(tǒng)的消費(fèi)類電子產(chǎn)品之外得到更為廣泛的應(yīng)用。由于電池在濫用情況下比如過放、過充、過流、短路、過熱等不僅會(huì)嚴(yán)重影響電池的使用壽命，嚴(yán)重甚至還會(huì)引起起火爆炸等現(xiàn)象，隨著單體電池容量及系統(tǒng)產(chǎn)品的規(guī)模的不斷增加，這一問題顯得尤為突出。除了對(duì)電池本體的安全性進(jìn)行改進(jìn)之外，做好電池的監(jiān)控管理是保障現(xiàn)有電池的使用安全、性能和壽命的必要手段。因此，電池管理系統(tǒng)（BMS）對(duì)電池系統(tǒng)的作用就顯得愈發(fā)重要。
BMS可以保障并優(yōu)化電池系統(tǒng)的正常運(yùn)行，提高電池效率，延長(zhǎng)電池壽命，并對(duì)電池提供安全保護(hù)。IEC 62619標(biāo)準(zhǔn)中【1】中給出了常見的設(shè)備、電池和BMS的組成邏輯框架，BMS某種程度上已是電池系統(tǒng)不可或缺的組成部分。
Examples of BMS locations and battery system configurations（IEC 62619【1】）
BMS一般包括電池的數(shù)據(jù)采集分析、SOX狀態(tài)計(jì)算、充放電管理、電池保護(hù)、電池均衡、熱管理、數(shù)據(jù)通信等功能。
電池的數(shù)據(jù)采集分析的對(duì)象主要包括電壓、電流、內(nèi)阻以及溫度。電壓、電流、內(nèi)阻是表征電池特性的主要參數(shù)，電池溫度是電池參數(shù)變化的影響因素。電池管理系統(tǒng)的所有算法、控制策略等都是基于采集的數(shù)據(jù)作為輸入，影響B(tài)MS性能的重要指標(biāo)是采樣速率、精度。
SOX狀態(tài)計(jì)算主要包括電池的SOC、SOH以及SOE等。這些狀態(tài)是對(duì)電池進(jìn)行控制和功率匹配的重要依據(jù)。BMS需要及時(shí)計(jì)算出電池的SOC、SOE值，供能源管理系統(tǒng)進(jìn)行功率配置和確定控制策略。SOH主要供用戶評(píng)估電池的健康狀態(tài)以及預(yù)期壽命管理。
電池保護(hù)主要包括過充電保護(hù)、過放電保護(hù)、過電流、短路保護(hù)及過熱保護(hù)等。BMS需要監(jiān)測(cè)電池的電壓、電流、溫度是否超出正常范圍，并在超出一定條件后作出反應(yīng)并提供相應(yīng)的保護(hù)。
電池均衡主要使串聯(lián)的單體電池或電池組電壓（容量）偏差保持在預(yù)期的范圍內(nèi)，從而保證每個(gè)單體電池在正常的使用時(shí)保持相同狀態(tài)，以避免過充、過放的發(fā)生。目前為最大限度地發(fā)揮電池的效用，延長(zhǎng)電池的使用壽命，增加安全性，要求BMS能夠?qū)崿F(xiàn)電池均衡。
熱管理是控制電池工作在最適宜的溫度區(qū)間，對(duì)于大功率充放電和高溫條件下使用的電池尤為關(guān)鍵。熱管理的目的是使電池溫度平衡，盡可能降低電池溫度在空間上的差異性。
BMS與其他設(shè)備的通信是BMS的重要功能之一，根據(jù)實(shí)際的應(yīng)用需要，可以采用不同的通信接口進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。一般采用CAN、RS485、以太網(wǎng)等實(shí)現(xiàn)相互間的信息通訊。
BMS本體主要由中央處理單元、數(shù)據(jù)采集檢測(cè)模塊（包括電流傳感器、電壓傳感器、溫度傳感器、漏電檢測(cè)電路）、均衡模塊、顯示單元模塊、控制保護(hù)部件（熔斷裝置、繼電器、斷路器）等構(gòu)成。BMS需要在符合電氣安全、電磁兼容性、環(huán)境適應(yīng)性等要求的基礎(chǔ)上，確保對(duì)電池的監(jiān)測(cè)控制和保護(hù)。
BMS相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)方面，全國(guó)電力儲(chǔ)能標(biāo)委會(huì)2017年最早發(fā)布了GB/T 34131-2017《電化學(xué)儲(chǔ)能電站用鋰離子電池管理系統(tǒng)技術(shù)規(guī)范》，主要面向電化學(xué)儲(chǔ)能電站的應(yīng)用規(guī)定BMS的使用條件、功能、檢驗(yàn)要求等。
國(guó)外，CSA和IEEE正在制訂BMS相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求。CSA立項(xiàng)了《Battery Management Systems》，涵蓋BMS的設(shè)計(jì)，性能和安全，不僅面向動(dòng)力電池、儲(chǔ)能系統(tǒng)的應(yīng)用，也包括移動(dòng)電源應(yīng)用、電動(dòng)機(jī)械工具等。IEEE立項(xiàng)了《Recommended Practice for BatteryManagement Systems in Energy Storage Applications》，主要包括固定站房中BMS的設(shè)計(jì)、安裝和配置的要求，對(duì)接地和隔離、被動(dòng)和主動(dòng)均衡、有線或無線傳感器等BMS硬件的要求，以及對(duì)降低風(fēng)險(xiǎn)的最佳操作算法、告警、與外部通訊等軟件功能要求。涵蓋的電池類型包括鋰離子電池、鈉電池、先進(jìn)鉛酸電池和液流電池。CSA和IEEE的兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)工作組已建立聯(lián)系，以保持標(biāo)準(zhǔn)的協(xié)調(diào)。
中關(guān)村儲(chǔ)能產(chǎn)業(yè)技術(shù)聯(lián)盟2019年在GB/T 34131-2017的基礎(chǔ)上，組織相關(guān)企業(yè)，共同制定并發(fā)布了T/CNESA1002-2019《電化學(xué)儲(chǔ)能系統(tǒng)用電池管理系統(tǒng)技術(shù)規(guī)范》，對(duì)相關(guān)的邏輯架構(gòu)、術(shù)語，進(jìn)行了統(tǒng)一，進(jìn)一步明確了功能要求、性能要求、相關(guān)參數(shù)的計(jì)算精度要求和測(cè)試方法。
電池管理系統(tǒng)典型架構(gòu)
為進(jìn)一步解決BMS標(biāo)準(zhǔn)落地實(shí)施的相關(guān)問題，聯(lián)盟2019年分別在比亞迪、寧德時(shí)代組織召開了電力儲(chǔ)能BMS標(biāo)準(zhǔn)化研討會(huì)。相關(guān)單位在目前BMS通用標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上，研討了BMS有待進(jìn)一步明確的問題，決定成立BMS標(biāo)準(zhǔn)化工作組（成員單位名單見文末）。2019年底，經(jīng)聯(lián)盟標(biāo)委會(huì)批準(zhǔn)，由寧德時(shí)代擔(dān)任第一屆工作組組長(zhǎng)單位。
工作組針對(duì)儲(chǔ)能項(xiàng)目急需的通信標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了詳細(xì)研討，明確了儲(chǔ)能系統(tǒng)的通信架構(gòu)，并于2019年底正式通過立項(xiàng)《電力儲(chǔ)能用電池管理系統(tǒng)與外部設(shè)備通信》標(biāo)準(zhǔn)，目前該標(biāo)準(zhǔn)由寧德時(shí)代牽頭起草中。
儲(chǔ)能系統(tǒng)通信架構(gòu)
此外，電力儲(chǔ)能系統(tǒng)BMS功能安全要求及測(cè)試方法缺失，深圳市科陸電子科技股份有限公司儲(chǔ)能研發(fā)中心朱偉杰在《鋰離子電池儲(chǔ)能系統(tǒng)BMS的功能安全分析與設(shè)計(jì)》【2】中，從系統(tǒng)的危險(xiǎn)識(shí)別和風(fēng)險(xiǎn)分析、整體安全要求確定和安全功能分配、安全完整性實(shí)現(xiàn)及驗(yàn)證3 個(gè)主要分析步驟，參照IEC 61508、IEC 60730-1等相關(guān)參考標(biāo)準(zhǔn)梳理了電池儲(chǔ)能系統(tǒng)BMS功能安全的分析與設(shè)計(jì)過程。未來在ISO、IEC頂層功能安全標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上需要進(jìn)一步探討電力儲(chǔ)能功能安全測(cè)試要求。
BMS的功能和性能直接關(guān)系著電池的性能、壽命、安全和用戶體驗(yàn)。一個(gè)合適的電池管理系統(tǒng)能夠在充分發(fā)揮電池優(yōu)越性能的同時(shí)，給予電池最佳的保護(hù)，保證電池性能，延長(zhǎng)電池壽命，降低運(yùn)行成本。
未來隨著技術(shù)的發(fā)展，工藝的成熟，應(yīng)用場(chǎng)景的細(xì)分和明確，電池可能會(huì)逐步到標(biāo)準(zhǔn)化的產(chǎn)品。而BMS作為電池的直接管理系統(tǒng)，從標(biāo)準(zhǔn)化的測(cè)試要求過渡到標(biāo)準(zhǔn)化的產(chǎn)品可能也是未來的發(fā)展趨勢(shì)。聯(lián)盟會(huì)依托BMS標(biāo)準(zhǔn)化工作組，圍繞行業(yè)需求，不斷推進(jìn)電力儲(chǔ)能BMS以至電池系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)體系的完善。
參考文獻(xiàn)
【1】IEC 62619:2017《Secondary cells andbatteries containing alkaline or other non-acid electrolytes – Safetyrequirements for secondary lithium cells and batteries, for use in industrialapplications》
【2】朱偉杰, 史尤杰, 雷博. 鋰離子電池儲(chǔ)能系統(tǒng)BMS的功能安全分析與設(shè)計(jì)[J]. 儲(chǔ)能科學(xué)與技術(shù), 2020, 9(1): 271-278.
