中國儲能網(wǎng)訊：近年來隨著電動汽車及電力儲能行業(yè)的快速發(fā)展，不可避免的帶來一些問題。這其中，安全問題成為電動汽車和電池儲能系統(tǒng)備受矚目的熱點(diǎn)和難點(diǎn)，任何一次安全事故，都會嚴(yán)重刺激公眾及用戶的神經(jīng)，對化學(xué)電源尤其是鋰離子電池安全的質(zhì)疑進(jìn)一步加深，在一定程度上將阻礙電動汽車及電力儲能產(chǎn)業(yè)的健康可持續(xù)發(fā)展。鋰離子電池安全性問題本質(zhì)上就是電池的“熱失控”，即到達(dá)一定的溫度極限后，電池溫度出現(xiàn)直線上升，進(jìn)而發(fā)生燃燒爆炸的現(xiàn)象。電池過熱、過充、內(nèi)短路、碰撞等是引發(fā)電池“熱失控”的幾個關(guān)鍵因素，另外電池的過充、過放、過流、短路及超高溫充放電等還會嚴(yán)重影響電池的性能。因此自鋰電池大規(guī)模使用起，電池保護(hù)便是必不可少的，電池管理系統(tǒng)（BMS）已經(jīng)成為了鋰離子電池的守護(hù)者。
BMS的構(gòu)成與功能
BMS的原材料是IC、線束、繼電器與機(jī)殼?；竟ぷ髟硎荕CU采集傳感器提供的電流、電壓、溫度等電池工作參數(shù)，從而對電池的工作情況進(jìn)行分析，估算其剩余電量，決定是否啟動保護(hù)電路或進(jìn)行均衡；電池工作狀態(tài)可通過顯示屏顯示，也可以與上位機(jī)進(jìn)行通信，從而實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控。BMS主要由主控單元、從控單元、信息采集單元、信息傳輸及顯示單元等組成。在硬件設(shè)計(jì)過程中，為達(dá)成產(chǎn)品的高可靠性和安全性，在各功能區(qū)需要選擇PPTC、FUSE等被動保護(hù)器件以保護(hù)電子電路在復(fù)雜電磁環(huán)境中的功能和安全。
圖1 BMS組成及典型架構(gòu)
在鋰離子電池系統(tǒng)中，BMS需要對電池組進(jìn)行數(shù)據(jù)監(jiān)測和故障診斷，以便對電池進(jìn)行動態(tài)管理，并將這些數(shù)據(jù)上傳至控制器，便于進(jìn)行控制策略的選取與實(shí)施，實(shí)現(xiàn)電能的高效利用，保持電池性能良好，同時起到延長電池循環(huán)使用壽命的作用。一般來說，BMS要實(shí)現(xiàn)單體電池電壓電流檢測、電量計(jì)算、均衡管理等九大功能。
圖2 BMS需要實(shí)現(xiàn)的基本功能
其中單體電池電壓監(jiān)測的目的主要在于通過壓差判斷電池的差異性以及檢測單體的運(yùn)行狀態(tài)。除此以外，電池組的總電壓仍需要單獨(dú)測試以備繼電器的診斷。
其中溫度的測量對于電池組工作狀態(tài)的評估具有重大意義，包含單體電池的溫度測量和電池組流體溫度監(jiān)測。電池組中溫度傳感器的放置位置以及使用個數(shù)，對溫度測量影響較大，此外，不同溫度區(qū)間對于BMS模塊的精度要求也有不同，一般涉及到分級管理的概念。
另外單體電池SOC估算是BMS中的重點(diǎn)和難點(diǎn)。目前最常采用的估算方法是安時積分法和開路電壓標(biāo)定法。通過建立電池模型和大量數(shù)據(jù)的采集，將實(shí)際數(shù)據(jù)與計(jì)算數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，是目前的主流做法。
電池均衡是BMS另一難點(diǎn)，實(shí)質(zhì)上是通過人為干預(yù)的方法使電池組內(nèi)的所有電池綜合新能趨于一致。常見的均衡技術(shù)分為被動均衡和主動均衡。采用主動均衡技術(shù)時單體電池一般外加DC/DC電路，利用能量補(bǔ)充或者能量轉(zhuǎn)移的方式實(shí)現(xiàn)電池均衡的目的，在充電及放電過程中實(shí)現(xiàn)均衡；被動均衡是通過外接電阻將能量較高的電池消耗至設(shè)定值。主動均衡對電壓采集精度要求較高，電路結(jié)構(gòu)也較復(fù)雜。被動均衡雖然結(jié)構(gòu)簡單，但其只能在電池充電時實(shí)現(xiàn)均衡的效果，能量利用率較低。相比而言，由于主動均衡技術(shù)能量利用率較高，充放電時都可以達(dá)到電池均衡的效果，因而是未來的發(fā)展方向。此外，均衡技術(shù)與電池種類也有一定的關(guān)系，一般認(rèn)為LFP更加適合主動均衡，三元電池者適合被動均衡。
圖3 主動均衡與被動均衡的對比
動力電池BMS與儲能電池BMS比較
動力電池BMS一端與電池相連，另一端又與整車的控制及電子系統(tǒng)相連接，BMS通過CAN總線接口與車載總控制器、電機(jī)控制器、能量控制系統(tǒng)、車載顯示系統(tǒng)等進(jìn)行實(shí)時通訊。
圖4 動力電池BMS與整車連接
在電力儲能系統(tǒng)中，電池管理系統(tǒng)（BMS）負(fù)責(zé)監(jiān)控各單體蓄電池的工作狀態(tài)，通過通訊的方式上傳電池相關(guān)信息和狀態(tài)，防止電池的過充與過放。此外儲能的BMS系統(tǒng)還需要與電網(wǎng)進(jìn)行通訊，控制諧波、頻率等關(guān)鍵參數(shù)，并實(shí)現(xiàn)與PCS以及監(jiān)控系統(tǒng)信息交互，PCS控制器通過CAN接口與BMS通訊獲取電池組狀態(tài)信息，可實(shí)現(xiàn)對電池的保護(hù)性充放電，確保電池運(yùn)行安全；監(jiān)控通訊系統(tǒng)是電池、電池管理系統(tǒng)以及變流器之間的連接紐帶，儲能監(jiān)控系統(tǒng)還負(fù)責(zé)電池管理系統(tǒng)（BMS）與配電網(wǎng)調(diào)度系統(tǒng)接口，接受調(diào)度指令，完成諸如蓄電池充放電控制、獨(dú)立離網(wǎng)系統(tǒng)支持、削峰填谷以及新能源發(fā)電平滑輸出等電網(wǎng)實(shí)際應(yīng)用。而動力電池的BMS系統(tǒng)還需要與充電樁進(jìn)行通訊，保障充電時的電池。
圖5 儲能電池BMS與系統(tǒng)其它單元的連接
根據(jù)以上分析：儲能電池系統(tǒng)的BMS系統(tǒng)較之動力電池BMS系統(tǒng)在具體的實(shí)際使用中又有區(qū)別，分別表現(xiàn)在：
1）儲能電池BMS所需要管理的電源是MWh甚至MWh百級別的，串并聯(lián)的電池非常多，需要將這些電池成千上萬枚電池有效地管理起來是一個系統(tǒng)工程。其次，要考慮儲能系統(tǒng)需要與電網(wǎng)連接，電網(wǎng)對諧波、頻率等有較高的要求，此外與電網(wǎng)通訊也會有相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)約束，并且電網(wǎng)也會出臺較嚴(yán)格的并網(wǎng)要求與安全標(biāo)準(zhǔn)。
2）電動汽車的 BMS需要在高溫、震動的環(huán)境里工作，因此對可靠性及穩(wěn)定性有著極高的要求，此外電動汽車涉及人身安全，相關(guān)測試極其嚴(yán)格。此外BMS所用的元器件應(yīng)當(dāng)是汽車級的，與充電樁、汽車電子等相連時需要考慮大量的標(biāo)準(zhǔn)與要求，并應(yīng)該符合電磁兼容。
動力電池BMS與儲能電池BMS產(chǎn)業(yè)格局比較
動力電池的 BMS 的制造商：
第一類是最具主導(dǎo)能力的BMS的終端用戶——車廠，事實(shí)上國外 BMS制造實(shí)力最強(qiáng)的也就是車廠，如通用、特斯拉等；
第二類BMS的廠商是電池廠，包含電芯廠商與做pack的廠商，如三星、CATL、欣旺達(dá)、德賽電池、拓邦股份、北京普萊德等；
第三類專業(yè)的BMS制造商，此類廠商多有多年的電力電子技術(shù)積累，有高校背景或相關(guān)企業(yè)背景的研發(fā)團(tuán)隊(duì)，如科列技術(shù)、億能電子、杭州高特等企業(yè)。
儲能系統(tǒng)的 BMS 的制造商：
與動力電池的 BMS 主要由終端車廠主導(dǎo)不同，目前看來儲能電池的終端用戶電網(wǎng)沒有加 入 BMS 研發(fā)與制造的需求與具體行動，也不大可能花費(fèi)大量資金與精力開發(fā)大型電池管 理系統(tǒng)，所以可以認(rèn)為儲能電池 BMS 行業(yè)缺乏一個占據(jù)了絕對優(yōu)勢的重要參與者，給電 池廠以及專注做儲能 BMS 的廠商留下了巨大的發(fā)展空間與想象空間。如果儲能的市場一 旦確立，將給予電池廠與專業(yè) BMS 生產(chǎn)廠商以非常大的發(fā)揮空間與較少的競爭阻力
當(dāng)前專注于儲能BMS開發(fā)的專業(yè)BMS廠商還比較少，主要原因是儲能市場還處在初期，市場對于儲能未來的發(fā)展還存在很大的疑慮，因此絕大部分廠商都沒有進(jìn)行儲能相關(guān)BMS的開發(fā)。在實(shí)際的商業(yè)環(huán)境中，也有廠家購買電動汽車電池BMS用作儲能電池的BMS用，相信 在未來專業(yè)電動汽車的 BMS 生產(chǎn)廠商也極有可能成為大規(guī)模儲能項(xiàng)目使用的BMS供應(yīng)商的重要組成部分。
國內(nèi)BMS廠商及未來BMS市場規(guī)模
國內(nèi)BMS生產(chǎn)企業(yè)主要有均勝電子、冠拓電源、安徽力高、億能電子、比亞迪、華霆動力、普萊德、西安冠通數(shù)源、東莞鉅威、上海安科瑞電源管理系統(tǒng)有限公司、深圳科列技術(shù)、藍(lán)微新源、杭州高特電子等。根據(jù)長城證券預(yù)測未來新能源汽車BMS和儲能BMS的總市場規(guī)模有望達(dá)到110億至190億。
