基于BMS的電池艙保護控制策略研究

謝青松，張鵬遠(yuǎn)，王 鵬，王法寧，王 京，郭寶甫

（1.許繼集團有限公司，河南 許昌 461000；2.許昌許繼電科儲能技術(shù)有限公司，河南 許昌 461000）

0 引 言

近年來，電化學(xué)儲能電站在電網(wǎng)側(cè)、用戶側(cè)和發(fā)電側(cè)都得到了廣泛應(yīng)用[1]。磷酸鐵鋰電池以其全密封、不怕火燒、體積小、重量輕以及能量密度高等特點，成為電網(wǎng)側(cè)儲能電站中電化學(xué)電池的主流選擇[2]。然而，在大規(guī)模儲能應(yīng)用場合中，磷酸鐵鋰電池系統(tǒng)的單體電池容量較大，電池簇所含的串并聯(lián)單體數(shù)量較多。多個電池簇并聯(lián)后的電池堆電流較大，在使用過程中如果出現(xiàn)單體電池質(zhì)量不佳、整簇運行一致性差等情況，極易引起局部熱失控，造成起火甚至爆炸[3-4]。此外，如果運行管理不善，未能及時發(fā)現(xiàn)異常或故障，或處置不合理，則會降低電池壽命，或者發(fā)生波及整體系統(tǒng)的連鎖反應(yīng)，給局部電網(wǎng)的電能質(zhì)量和穩(wěn)定性造成沖擊。

目前，大多數(shù)電化學(xué)儲能電站的電池艙都配備了空調(diào)、風(fēng)機和消防設(shè)施，起到了溫度調(diào)節(jié)、火災(zāi)預(yù)警和滅火的作用。同時，電池艙配置有電池管理系統(tǒng)（Battery Management System，簡稱BMS），對電池系統(tǒng)的運行起到監(jiān)視、預(yù)警和保護的作用。但是，目前電池艙的空調(diào)、消防系統(tǒng)、風(fēng)機和BMS系統(tǒng)相互獨立，不產(chǎn)生數(shù)據(jù)和控制邏輯上的交互，導(dǎo)致儲能艙的安全保護措施不能發(fā)揮最大效用。因此，有必要開展電池艙消防系統(tǒng)等設(shè)備與BMS系統(tǒng)的安全聯(lián)動策略研究，發(fā)揮各自的優(yōu)勢，高度協(xié)同配合，提高儲能電站的安全性。

1 電池儲能電站用BMS

電池管理系統(tǒng)用于實時監(jiān)視電池運行過程中的各種狀態(tài)量，如電壓、溫度、電流、SOC和SOH等，對電池充放電過程進行精細(xì)化管控，保證電池系統(tǒng)安全、可靠、高效運行，延長電池使用壽命[5-7]。不同于其他應(yīng)用場景，儲能電池系統(tǒng)所用電池數(shù)量巨大，拓?fù)鋸?fù)雜，整個儲能站需要接入BMS的設(shè)備數(shù)量也很大[8]，因此與普通BMS相比，儲能電站對BMS的使用提出了更高要求，如海量數(shù)據(jù)處理能力、復(fù)雜協(xié)議的處理能力、極高的響應(yīng)速度、復(fù)雜的控制策略、高效的主動均衡策略、熱管理能力、強大的抗干擾能力以及運行的高安全性和可靠性等[9]。

為了適應(yīng)儲能電站需求，儲能電站BMS通常按照電池箱、電池簇以及電池堆分層管理的方式劃分為三層架構(gòu)，分別對應(yīng)電池管理單元、電池簇管理單元和系統(tǒng)通信管理單元。其中，電池管理單元負(fù)責(zé)實時采集單體電池電壓和溫度，具備熱管理控制和均衡功能，并與電池簇管理單元進行數(shù)據(jù)交換，通常安裝于電池插箱外側(cè)；電池簇管理單元負(fù)責(zé)收集下層電池管理單元的信息，具備單體電池與電池簇的數(shù)據(jù)采集和監(jiān)測、SOC等狀態(tài)估算、熱管理以及故障告警保護等功能，同時可將單體電池和電池簇的運行狀態(tài)、告警信息等上送給系統(tǒng)通信管理單元，通常安裝于簇高壓箱內(nèi)；系統(tǒng)通信管理單元的功能為實時接收電池簇管理單元上傳的電池數(shù)據(jù)，對數(shù)據(jù)進行計算、分析和整理，完成告警處理、記錄存儲及實時顯示，還具備定值整定、對時等功能，對外可與儲能變流器（簡稱PCS）、儲能監(jiān)控系統(tǒng)、消防系統(tǒng)等進行通信及聯(lián)動控制[10]。圖1為儲能電站BMS整體架構(gòu)及典型應(yīng)用，江蘇某儲能電站采用了該應(yīng)用方案[11]。

圖1 儲能電站BMS整體架構(gòu)及典型應(yīng)用

2 BMS保護聯(lián)動控制策略

電化學(xué)儲能電站通常采用標(biāo)準(zhǔn)預(yù)制艙體戶外布置形式[12]。電池艙體內(nèi)一般安裝有BMS、PCS、空調(diào)、風(fēng)機、感煙探測器、感溫探測器、火災(zāi)自動報警系統(tǒng)及自動滅火系統(tǒng)，此外還可安裝火災(zāi)智能預(yù)警系統(tǒng)、可燃?xì)怏w探測器和排煙風(fēng)機等，共同保障電池艙的安全運行。

為了適應(yīng)電池儲能電站的安全運行需求，本文提出一種基于BMS的電池儲能艙保護控制策略[13]。該方案在江蘇某磷酸鐵鋰電池儲能電站得到了很好應(yīng)用。下面以該儲能電站為例，介紹BMS與電池艙其他設(shè)備的聯(lián)動控制方案。

該儲能電站的電池艙安全防護系統(tǒng)由火災(zāi)自動報警系統(tǒng)、感煙探測器、感溫探測器、可燃?xì)怏w探測器、七氟丙烷滅火系統(tǒng)、BMS、PCS、空調(diào)、電池箱風(fēng)扇以及排煙風(fēng)機等組成，基本架構(gòu)如圖2所示。

圖2 電池艙安全防護系統(tǒng)架構(gòu)圖

由圖2可見，BMS在整個安全防護系統(tǒng)中處于關(guān)鍵核心位置。BMS不僅與PCS、空調(diào)、電池箱風(fēng)扇等聯(lián)動完成消防中“防”的環(huán)節(jié)，還與火災(zāi)智能預(yù)警系統(tǒng)和火災(zāi)自動報警系統(tǒng)直接聯(lián)動，與七氟丙烷滅火系統(tǒng)間接聯(lián)動，完成消防中“消”的環(huán)節(jié)。下面對BMS在整個安防系統(tǒng)的工作原理進行闡述。

2.1 BMS與PCS的聯(lián)動策略

PCS是電池的充放電設(shè)備，BMS是電池的保護設(shè)備。電池在工作過程中可能會出現(xiàn)過壓、欠壓、過溫、欠溫、過流以及絕緣降低等故障狀況。當(dāng)發(fā)生任一種故障時，如果不及時采取措施，都可能釀成安全事故。BMS必須實時檢測電池的電壓、溫度、充放電電流以及絕緣電阻等，一旦發(fā)現(xiàn)故障，必須迅速定位故障點，對故障進行分類并及時處理。通常，儲能電站BMS將電池故障分為三級：一級故障BMS產(chǎn)生輕度告警；二級故障BMS產(chǎn)生中度告警并通知PCS待機；三級故障BMS產(chǎn)生重度告警，通知PCS停機，并切斷直流側(cè)開關(guān)。圖3是BMS與PCS的聯(lián)動邏輯流程圖。

圖3 BMS與PCS聯(lián)動流程圖

2.2 BMS與溫控系統(tǒng)的聯(lián)動策略

溫控系統(tǒng)包括空調(diào)和電池箱風(fēng)扇等。BMS實時檢測電芯溫度，當(dāng)檢測到電芯溫度高于設(shè)定值時，啟動該電芯所在電池箱的風(fēng)扇，直到電芯溫度回到正常值后關(guān)閉風(fēng)扇。該儲能站未在電池箱安裝加熱器，如果安裝了加熱器，則當(dāng)檢測到電芯溫度低于設(shè)定值時，啟動該電芯所在電池箱的加熱器，直到電芯溫度回到正常值后關(guān)閉加熱器。BMS與空調(diào)聯(lián)動，需要同時考慮電芯溫度和環(huán)境溫度。電芯溫度由BMS直接采集，環(huán)境溫度可由空調(diào)采集并送給BMS或者由BMS直接采集。BMS結(jié)合電芯溫度和環(huán)境溫度，對空調(diào)進行定溫控制。假設(shè)電芯溫度為t1，環(huán)境溫度為t2，空調(diào)溫度設(shè)定值為Tset，則Tset可由式（1）和式（2）得出：

式中，f1為電池箱內(nèi)電芯溫度場分布函數(shù)，tmax為最大電芯溫度，tmin為最小電芯溫度，f2為電池艙內(nèi)電芯溫度與環(huán)境溫度的場分布函數(shù)。

圖4給出了BMS與空調(diào)聯(lián)動邏輯流程圖。

圖4 BMS與空調(diào)聯(lián)動流程圖

2.3 BMS與消防系統(tǒng)的聯(lián)動策略

以上主要是“防”的環(huán)節(jié)，而“消”的環(huán)節(jié)主要涉及BMS與可燃?xì)怏w探測器、火災(zāi)智能預(yù)警系統(tǒng)和火災(zāi)自動報警系統(tǒng)的聯(lián)動控制。當(dāng)可燃?xì)怏w探測器檢測到電池艙內(nèi)可燃?xì)怏w濃度達到閾值1時，可燃?xì)怏w探測器通過火災(zāi)智能預(yù)警系統(tǒng)發(fā)送信號1至BMS（以下可燃?xì)怏w探測器到BMS的火災(zāi)信號均經(jīng)由火災(zāi)智能預(yù)警系統(tǒng)轉(zhuǎn)發(fā)，不再贅述），由BMS斷開直流側(cè)開關(guān)動作，切斷電池充放電回路，關(guān)閉空調(diào)、啟動排煙風(fēng)機。當(dāng)可燃?xì)怏w探測器檢測到電池艙內(nèi)可燃?xì)怏w濃度達到閾值2時，可燃?xì)怏w探測器發(fā)送信號2至BMS，由BMS斷開直流側(cè)開關(guān)動作，切斷電池充放電回路，關(guān)閉空調(diào)、關(guān)閉排煙風(fēng)機。同時，可燃?xì)怏w探測器發(fā)送信號3至火災(zāi)自動報警系統(tǒng)（經(jīng)由BMS），發(fā)出報警信號，并啟動火災(zāi)自動報警系統(tǒng)進行滅火。當(dāng)感煙探測器、感溫探測器檢測到煙霧濃度、艙內(nèi)溫度達到一定值時，則火災(zāi)自動報警系統(tǒng)會發(fā)出警報，通知BMS斷開直流側(cè)開關(guān)，同時啟動滅火。具體流程如圖5所示。

3 試驗驗證

3.1 試驗平臺

為了驗證基于BMS的電池艙保護控制策略的有效性，建立了工程試驗平臺開展相關(guān)試驗研究。該試驗平臺由1個PCS艙和1個電池艙組成，每個PCS艙內(nèi)有2臺PCS，每個電池艙內(nèi)有2個電池堆，每個電池堆由4簇電池構(gòu)成，每簇電池由222節(jié)單體電池串聯(lián)構(gòu)成，每個單體電池由6節(jié)72 Ah磷酸鐵鋰電池并聯(lián)而成，單體電池的放電截止電壓為2.5 V，充電截止電壓為3.65 V。每個電池堆配置1套BMS。

3.2 試驗方法

為探究所提控制策略對電池系統(tǒng)溫度一致性的影響，針對BMS與溫控系統(tǒng)聯(lián)動控制（以下簡稱聯(lián)動控制）及BMS與溫控系統(tǒng)孤立運行（以下簡稱孤立運行）兩種運行條件設(shè)計4組試驗。

圖5 BMS與消防系統(tǒng)聯(lián)動流程圖

A組：室外溫度25 ℃，對同一簇鋰離子電池，分別在聯(lián)動控制和孤立運行條件下用相同功率充至50%SOC，記錄該簇所有單體電池的溫度。

B組：室外溫度25 ℃，對同一簇鋰離子電池，分別在聯(lián)動控制和孤立運行條件下用相同功率充至80%SOC，記錄該簇所有單體電池的溫度。

C組：室外溫度30 ℃，對同一簇鋰離子電池，分別在聯(lián)動控制和孤立運行條件下用相同功率充至50%SOC，記錄該簇所有單體電池的溫度。

D組：室外溫度30 ℃，對同一簇鋰離子電池，分別在聯(lián)動控制和孤立運行條件下用相同功率充至80%SOC，記錄該簇所有單體電池的溫度。

電池艙運行數(shù)據(jù)由BMS記錄并存儲，同時觀察在應(yīng)用該聯(lián)動控制策略的條件下該電池艙的整體運行情況。

3.3 試驗結(jié)果與分析

通常用標(biāo)準(zhǔn)差判斷一組數(shù)據(jù)的離散程度。這里用一組電池溫度的標(biāo)準(zhǔn)差判斷該組電池的溫度不一致程度。具體地，可通過式（3）計算A、B、C、D共4組試驗數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)差：

式中：σ為電池溫度的標(biāo)準(zhǔn)差，ti為電池單體溫度，tave為電池平均溫度。由式（3）計算A組試驗聯(lián)動控制的電池溫度標(biāo)準(zhǔn)差σ1為0.71，孤立運行的電池溫度標(biāo)準(zhǔn)差σ2為1.33，電池溫度曲線如圖6所示；B組試驗聯(lián)動控制的電池溫度標(biāo)準(zhǔn)差σ1為0.84，孤立運行的電池溫度標(biāo)準(zhǔn)差σ2為1.13，電池溫度曲線如圖7所示；C組試驗聯(lián)動控制的電池溫度標(biāo)準(zhǔn)差σ1為1.69，孤立運行的電池溫度標(biāo)準(zhǔn)差σ2為2.25，電池溫度曲線如圖8所示；D組試驗聯(lián)動控制的電池溫度標(biāo)準(zhǔn)差σ1為1.67，孤立運行的電池溫度標(biāo)準(zhǔn)差σ2為2.11，電池溫度曲線如圖9所示。

圖6 A組電池溫度曲線

圖7 B組電池溫度曲線

圖8 C組電池溫度曲線

圖9 D組電池溫度曲線

由試驗結(jié)果可見，BMS與溫控系統(tǒng)聯(lián)動控制可以有效降低電池系統(tǒng)溫度不一致程度，提高電池系統(tǒng)的運行安全。同時，通過長期觀察該電池艙運行情況發(fā)現(xiàn)，所提的BMS與消防系統(tǒng)聯(lián)動控制策略可以在發(fā)生消防告警時及時隔離電池系統(tǒng)和儲能變流器，有效保障電池艙的運行安全。BMS與PCS的聯(lián)動控制策略避免了儲能艙運行期間直流斷路器、接觸器等頻繁跳開的情況，電池艙運行期間基本無需人工干預(yù)，儲能站的智能運維水平顯著提高。

4 結(jié) 論

本文介紹了電池儲能電站BMS的基本架構(gòu)和功能。由于BMS在保障儲能電站安全運行中發(fā)揮著關(guān)鍵核心作用，本文著重對儲能電站中BMS的保護策略進行了研究，提出了一種基于BMS的電池艙保護控制策略。該策略側(cè)重于BMS與PCS、溫控系統(tǒng)、消防系統(tǒng)等的聯(lián)動控制。通過工程實踐驗證了該策略能夠有效降低電池系統(tǒng)溫度不一致程度，能夠顯著提高電池艙的安全性和可靠性，提高了儲能站的運維水平。本文的研究成果對儲能電站的安防建設(shè)和運行方案制定具有一定的參考意義。