上百万颗电芯实时监测管理，储能系统的“大脑”BMS有何过人之处？

作者：时间：2023-09-14来源：Mouser收藏

随着低碳可持续发展的逐步推进，对于智能储能系统的需求量水涨船高。储能系统可以使太阳能、风能等可再生能源更好地与电网进行整合，帮助电网实现“削峰填谷”的调控效果。而要实现储能系统高效安全运作，提高可再生能源的利用率，则离不开内部电池管理系统（BMS）的参与。

本文引用地址：http://www.eepw.com.cn/article/202309/450558.htm

不论是集中式储能系统还是家庭储能系统，BMS都在其中发挥了关键作用。来自GGII（高工产业研究院）的预测显示，至2025年，中国储能BMS市值将达到178亿元（含出口海外），年复合增长率为47%。而在需求量激增的同时，储能系统对于BMS也提出了更高的技术要求。

图1：储能系统工作原理

（图源：www.innoliaenergy.com）

BMS：储能系统的“大脑”

在储能系统中，BMS的地位堪称“大脑”。相比常见的BMS概念，储能系统中BMS的系统架构更为复杂，承载的功能也更多。要实现储能系统中高达上百万颗电芯的实时监测和均衡管理，绝非易事。

储能系统的电池系统的组成，自下而上可以分为电芯、电池包、电池簇和电池系统四个层次。而储能系统的BMS，通常也根据储能系统的电池系统架构设计成了从控、主控和总控三级架构。

图2：储能BMS的拓扑图

（图源：huasu-tech）

#1 从控是非常基础的电池管理单元，通常被称为BMU（Battery Management Unit）。BMU负责电池包的管理，一方面要实时监测和采集电池包内部的运行信息，包括温度、电压、电流、SoC、SoH等；另一方面要实现电池均衡策略的执行。此外，采集的电池包信息还会通过通信链路与第二级进行通讯。

#2 主控则是在从控的上一层，负责电池簇的管理工作，通常被称为BCU（Battery Cluster management Unit）。BCU一方面实现对于电池簇的电压、电流等信息的采集；另一方面负责电池簇之间的均衡策略，同时还要控制下一级的BMU完成对电池包的信息采集和汇总。一旦检测到异常信息，BCU可以向出问题的电池包所在的BMU下达指令，通过电池包优化器来将问题电池包切出，从而确保电池簇的安全运行。

#3 总控通常被称为BSU（Battery Stack managemnet Unit），也可称为集中管理单元（CMU）。作为更高层级的管理单元，该部分需要综合来自储能系统的环境检测信息，制定合理的温控策略，提升电池整体的一致性。同时还要与外部的温控系统和消防安全系统实现互动，做到安全问题的及时发现、有效隔离和合理处理。

总结来说，储能系统中的BMS通过多级架构，实现了对于储能系统中从电芯到电池包、电池簇的多级状态监测与预估、充放电控制、温度管理、故障检测、安全保护、数据通信和存储等一系列的功能。它确保了储能系统能够安全高效地储存从可再生能源转换而来的电能，优化了内部电池的整体寿命，并且帮助实现与电网的并网离网高效切换。

储能系统的BMS，要求更为严苛

储能系统中电池数量众多，排列较为密集。大规模储能系统中单个储能舱的容量为0.5-2MWh，内部单体电池数量可达数万个；GWh级别的储能电站，内部电芯数量则达到了上百万个。这意味着一旦其中一个电池单体发生故障产生热失控，就极易影响周围的电池一起发生大规模的连锁反应，造成极大的损失。因此对于储能系统的BMS，要求比电动汽车中的BMS更为严苛。

图3：BMS的主要功能

（图源：www.integrasources.com）

首先，储能系统具有深放电、长循环的特点，尤其到电池系统后期，对电池的一致性要求更为敏感。电池的一致性决定了储能系统循环寿命的长短，也决定了储能系统每一次充放电深度以及容量。因此，储能系统对于BMS电池均衡能力要求更高。

另一方面，BMS负责储能系统全生命周期的管理，保障全生命周期内储能系统的高效运行，在一定程度上也决定了系统的收益和维护成本。因此也就要求储能系统的BMS具有自动维护的功能。

从安全角度考虑，储能系统中BMS要具有防环流的设计，具备极强的抗干扰能力，并且具备更快的数据处理能力、响应速度和通讯能力。只有具备更快的数据采集能力和通讯能力，才能确保在某一电芯出现问题的第一时间就可以实现快速响应，将问题电池组分离。

从多起储能项目爆炸案例分析来看，主要来自几个原因，包括电池本体缺陷、过电压电流等保护装置不足、主动热管理不够以及PCS、BMS、EMS之间协调做的不够好等。而如果有足够可靠智能的BMS，那么这些问题都可以提前获得预警，并通过一定的技术手段提前化解。

为了确保储能系统能够高效安全地运行，储能BMS需要进行哪些技术革新？在电芯的监测方面，要做到更多关键参数的更精准分析。除了常见的电压、温度和内阻等参数外，还应从多个维度、采用多种手段研究电池安全性机理，基于精准测量和数值化模型准确预测锂电池安全性表现，搭建起上万颗电芯的全生命周期管理体系，从而实现更精准的预测。

在架构革新方面，可以考虑“一簇一管理”的方式，将单个电池簇与单个模块的储能变流器连接使用，这样既可以简化储能BMS的架构，又能提高整体工作效率。例如华为从去年开始推广其“一簇一管理”、“一模组一均衡”的BMS架构，包括科华阳光、比亚迪等也相继推出了针对PACK和电池簇的簇均衡器技术。

储能BMS中不可忽视的分立器件

提到BMS，首先让人想到的是其中关键的电源类芯片，包括一系列的电池管理IC、AFE、MCU和隔离器等。而其实像二极管、MOSFET、电阻和阻断器等分立器件，也在储能BMS中发挥了至关重要的作用。

在每一个电池组、每一个电池簇与外部的连接电路中，都会有二极管的存在，通过其单向导通的能力来确保通信接口不受到损坏；同时在多种电路拓扑中，也都需要二极管的参与。在此我们为大家推荐一款来自Vishay的二极管器件，非常适用于储能系统BMS的应用。该器件名为XMC7K24CA XClampR™ TVS二极管，在贸泽电子的具体料号为“XMC7K24CA-M3/H”。

TVS二极管定义

所谓TVS二极管，即瞬态电压抑制二极管，是一种保护用的电子零件，可以保护电器设备不受导线引入的电压尖峰破坏。而XMC7K24CA作为TVS二极管，相比其他同类产品的优势在于其具备高温稳定性和高可靠性，并且提供了优异的性能表现。

该器件的工作电压可高达24V，存储温度范围为-55°C～175°C，峰值脉冲电流（IPPM）为180A；同时还具有超低钳位电压、低漏电流和7,000W峰值脉冲功率（PPPM）。该二极管可在储能BMS的传感器IC、MOSFET、信号线中保护敏感电子产品，使之免受由感性负载开关和照明引起的电压瞬变影响。

图4：XMC7K24CA

（图源：Vishay）

在储能BMS中，另一个重要的、同样容易被忽视的分立器件是电阻器。在这里也为大家推荐一款来自Vishay的厚膜电阻器LTO100H，在贸泽电子的具体料号为“LTO100H2R200JTE3”。

LTO100H是Vishay新推出的厚膜功率电阻器产品，具有高达52J/0.1s脉冲的高能量能力。相比其前代的LTO100电阻器能量能力提高了45%。LTO100H系列是无感抗的，具有从0.8Ω到4KΩ的宽电阻范围，符合AEC-Q200标准，能够在+85°C时具有高达100W功率能力。该产品广泛适用于电动汽车和储能电池管理系统。