電池管理系統(tǒng)均衡技術(shù)分析
——以大容量儲能系統(tǒng)為例

文｜錢柄旭

近年來，我國的科技水平日益提升，同時(shí)，為了保證經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展，國家更加重視環(huán)保的重要價(jià)值。在這一背景下，以新能源汽車為代表的各式各樣的新能源設(shè)備逐漸受到了大多數(shù)企業(yè)的重視與青睞。但是在實(shí)際工作情境中，電池組的一致性問題一直是大容量電池儲能系統(tǒng)存在的主要問題，對其均衡技術(shù)進(jìn)行研究能夠有效促進(jìn)我國新能源行業(yè)的高速發(fā)展。本文通過對相關(guān)文獻(xiàn)進(jìn)行查閱，首先對大容量電池儲能系統(tǒng)的基本概念、原理等內(nèi)容進(jìn)行了簡要闡述，結(jié)合相關(guān)科學(xué)理論知識，對其采取的電池管理系統(tǒng)均衡技術(shù)進(jìn)行了深入分析。希望本文的研究內(nèi)容能夠?yàn)槲覈履茉措姵匦袠I(yè)的發(fā)展提供一定的助力與支持。

一、前言

隨著時(shí)代的發(fā)展，油氣能源的弊端已經(jīng)開始逐漸體現(xiàn)了出來，其對于環(huán)境造成的污染是十分明顯的，不利于當(dāng)前我國所提倡的經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展的持續(xù)推進(jìn)。在這一背景下，傳統(tǒng)的電力能源開始被更多的行業(yè)所看重，如電動(dòng)汽車行業(yè)。但是，在新能源技術(shù)發(fā)展過程中，一般的風(fēng)、光資源富集區(qū)域一般都遠(yuǎn)離電能負(fù)荷中心，當(dāng)?shù)仉娋W(wǎng)無法有效實(shí)現(xiàn)對于這些大量電能的有效吸納，因此通常需要大容量儲能系統(tǒng)為其提供調(diào)峰支持、支持，這時(shí)就需要采用均衡技術(shù)解決電池管理系統(tǒng)（BESS）中普遍存在的電池組一致性問題。本文首先對大容量電池儲能系統(tǒng)的基本特點(diǎn)進(jìn)行分析。

二、大容量電池儲能系統(tǒng)

大容量儲能系統(tǒng)在實(shí)踐中通常具備電網(wǎng)調(diào)峰、提高電力系統(tǒng)穩(wěn)定性、調(diào)節(jié)過負(fù)荷沖擊等重要功能，能夠改變傳統(tǒng)意義上的電網(wǎng)結(jié)構(gòu)，主動(dòng)對電網(wǎng)電能的品質(zhì)進(jìn)行調(diào)節(jié)，有效提升電網(wǎng)工作的穩(wěn)定性。

隨著電力需求的不斷增加，全球各國對于儲能技術(shù)的研究逐漸深入。當(dāng)前的大容量儲能技術(shù)主要包括物理儲能、化學(xué)儲能、其他儲能三個(gè)主要類型。在實(shí)踐中，每個(gè)儲能類型都能進(jìn)一步劃分為更加具體的儲能技術(shù)，在實(shí)踐中具備完全不同的技術(shù)優(yōu)勢。

在大容量電池儲能技術(shù)領(lǐng)域，需要將電池串并聯(lián)成組進(jìn)行處理，在這一過程中，電池一致性問題一直都是困擾其功能充分發(fā)揮的重要問題。具體而言，雖然當(dāng)前電池在成組之前都需要進(jìn)行性能一致性匹配，但是，每個(gè)電池單體之間也會存在一定的細(xì)微差異，這種差異會隨著電池組充放電次數(shù)的增加而不斷積累，并最終反映到實(shí)際工作情境中，表現(xiàn)為電池系統(tǒng)一致性變差、電池系統(tǒng)充放電性能劣化、電池系統(tǒng)可用容量大幅度衰減等。為了解決這一問題，通過外部手段對其進(jìn)行維護(hù)是非常必要的，具體原理是通過設(shè)置BMU-BCMS-BAMS三層電池管理系統(tǒng)，對電池的相內(nèi)、相間能量進(jìn)行均衡，最終提升電池容量利用率。

三、電池模塊內(nèi)均衡技術(shù)研究

本文的電池模塊內(nèi)均衡主要由BMU采用一種基于隔離型的MOS開關(guān)裝置進(jìn)行轉(zhuǎn)換的方式來實(shí)現(xiàn)。從具體原理角度來看，該設(shè)備能夠形成一個(gè)DC/DC，即直流/直流變換單元來生成一路隔離的可對單體進(jìn)行充放電的直流電源（DC電源）。在電池組充電過程中，如果單電池之間的差異明顯增大，那么技術(shù)人員就可以通過系統(tǒng)選擇其中電量最低的電池，并通過MOS開關(guān)，將傳統(tǒng)的DC電源切換到電池B的兩端，進(jìn)而使得該電池的充電電流遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于其他電池，進(jìn)而確保低電量的電池能夠補(bǔ)充更多的電能，最終有效提升電池組的充電時(shí)間。

在電池組進(jìn)行放電的過程中，如果單電池之間的差異明顯增大，那么技術(shù)人員就可以通過系統(tǒng)選擇其中電量最低的電池，并通過MOS開關(guān)，將傳統(tǒng)的DC電源切換到電池B的兩端，對其進(jìn)行補(bǔ)電，這種操作方式能夠保證該電池的放電電流能夠明顯小于其他電池，最終確保整個(gè)電池組的放電量能夠得到增加，進(jìn)而延長放電時(shí)間。

在實(shí)際工作情境中，多個(gè)MOS開關(guān)之間的切換會使其在充電過程中，最低電量電池的充電電流長期明顯大于其他電池，在放電過程中，最低電池所產(chǎn)生的放電電流也同樣長期明顯小于其他電池。這種現(xiàn)象的長期持續(xù)能夠使得電池組內(nèi)的單體電池長期保持相當(dāng)優(yōu)秀的均衡性，進(jìn)而為電力系統(tǒng)的正常運(yùn)行提供重要的技術(shù)支持。

四、電池模塊間均衡技術(shù)研究

本文設(shè)計(jì)的電池模塊內(nèi)均衡裝置采用的是交流功率母線拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，其基本結(jié)構(gòu)為，在交流母線上分別設(shè)置DC/AC加變壓器組成的動(dòng)態(tài)均衡模塊，并將其作為母線與不同電池模塊之間的溝通點(diǎn)，這種方式能夠使不同電池模塊之間共用交流側(cè)，最終實(shí)現(xiàn)傳輸功率的目的。

運(yùn)行原理為：當(dāng)電池簇中出現(xiàn)電壓偏高、偏低的電池模塊時(shí)，通過控制通斷其對應(yīng)的DC/AC逆變器模塊，能夠?qū)㈦妷褐灯叩闹绷麟妷耗孀兊侥妇€上，并將逆變后的交流方波調(diào)整至電壓值偏低的電池模塊處，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)能量的均衡傳遞。

此種裝置設(shè)置方式在實(shí)踐中通常具備以下幾點(diǎn)重要優(yōu)勢：（1）并聯(lián)條件，本裝置能夠利用多逆變電源并聯(lián)運(yùn)行的類似機(jī)制，保證模塊輸出的交流頻率、相位一致。（2）能夠利用模塊間壓差造成的環(huán)流進(jìn)行均衡，對于其輸出功率并不具備特定要求。（3）具備專有均衡控制器，能夠由專用控制器進(jìn)行控制，不受BCMS和均衡控制器控制。（4）硬件控制。本文所設(shè)計(jì)的逆變器為全硬件控制，在實(shí)踐中具備相當(dāng)強(qiáng)的穩(wěn)定性。（5）本系統(tǒng)能夠保證各個(gè)電池模塊間采用相同的頻率工作。

五、四級均衡體系的構(gòu)建與實(shí)現(xiàn)

在電池模塊內(nèi)均衡技術(shù)、電池模塊間均衡技術(shù)研究的基礎(chǔ)上，筆者進(jìn)一步提出了四級均衡體系的構(gòu)建與實(shí)現(xiàn)策略。具體而言，電池管理系統(tǒng)存在分層、分級設(shè)計(jì)的特點(diǎn)，BMU（電池管理單元）負(fù)責(zé)對電池模塊內(nèi)部的每一個(gè)具體的單體電池進(jìn)行管理，其次，BCMS（電池簇管理系統(tǒng)）主要對其上層單位進(jìn)行管理，即電池簇的各個(gè)電池模塊。最后，BAMS（電池陣列管理系統(tǒng)）、BCMS負(fù)責(zé)對整個(gè)系統(tǒng)在建立、運(yùn)行過程中產(chǎn)生的信息進(jìn)行傳遞與監(jiān)測，除此在外，還需要與PCS、監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行彼此之間的信息傳輸，最終構(gòu)成BMU-BCMS-BAMS三層次大容量電池管理系統(tǒng)。

在上述系統(tǒng)功能得到實(shí)現(xiàn)的基礎(chǔ)上，BMU-BCMSBAMS分別實(shí)現(xiàn)對電池模塊內(nèi)均衡、電池模塊相間均衡、電池系統(tǒng)相內(nèi)與相間均衡的功能，建立了完善的實(shí)際均衡體系。

綜上所述，BMU-BCMS-BAMS四級均衡體系主要具備以下幾點(diǎn)優(yōu)勢：（1）層次性。能夠在不依賴外部能量輸入的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)電池模塊之間的能量轉(zhuǎn)移，進(jìn)而減少能量耗費(fèi)。（2）電流大。該系統(tǒng)各級均衡子系統(tǒng)的最大電流均達(dá)到了5A及以上，能夠明顯縮短均衡實(shí)現(xiàn)。（3）效率高。本系統(tǒng)能夠提供相當(dāng)高的功率轉(zhuǎn)換效率，從數(shù)據(jù)角度來看，能夠提供90%以上的能量轉(zhuǎn)換效率，能夠有效增加均衡電流。

六、結(jié)論

縱觀全文，當(dāng)前我國正處在經(jīng)濟(jì)體制改革的關(guān)鍵時(shí)期，在經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展的政策背景下，風(fēng)電、光電等清潔能源在能源市場上的占比正在不斷提升，能夠?yàn)槊癖娞峁└迂S富、清潔的資源選擇空間。本文首先對大容量儲能系統(tǒng)的基本概念、功能特色等內(nèi)容進(jìn)行了簡要闡述，并進(jìn)一步對電池模塊內(nèi)均衡技術(shù)、相間均衡技術(shù)進(jìn)行了研究與分析，最終提出了四級均衡體系的形成與實(shí)施。希望本文的研究內(nèi)容能夠?yàn)榇笕萘侩姵叵到y(tǒng)的壽命增長提供一定的技術(shù)、理論支持。