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电力储能BMS标准化进展

作者:唐亮 来源:CNESA 发布时间:2020-04-01 浏览:
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随着新能源汽车和储能产业的发展,电池在传统的消费类电子产品之外得到更为广泛的应用。由于电池在滥用情况下比如过放、过充、过流、短路、过热等不仅会严重影响电池的使用寿命,严重甚至还会引起起火爆炸等现象,随着单体电池容量及系统产品的规模的不断增加,这一问题显得尤为突出。除了对电池本体的安全性进行改进之外,做好电池的监控管理是保障现有电池的使用安全、性能和寿命的必要手段。因此,电池管理系统(BMS)对电池系统的作用就显得愈发重要。

BMS可以保障并优化电池系统的正常运行,提高电池效率,延长电池寿命,并对电池提供安全保护。IEC 62619标准中【1】中给出了常见的设备、电池和BMS的组成逻辑框架,BMS某种程度上已是电池系统不可或缺的组成部分。

Examples of BMS locations and battery system configurations(IEC 62619【1】)

BMS一般包括电池的数据采集分析、SOX状态计算、充放电管理、电池保护、电池均衡、热管理、数据通信等功能。

电池的数据采集分析的对象主要包括电压、电流、内阻以及温度。电压、电流、内阻是表征电池特性的主要参数,电池温度是电池参数变化的影响因素。电池管理系统的所有算法、控制策略等都是基于采集的数据作为输入,影响BMS性能的重要指标是采样速率、精度。

SOX状态计算主要包括电池的SOC、SOH以及SOE等。这些状态是对电池进行控制和功率匹配的重要依据。BMS需要及时计算出电池的SOC、SOE值,供能源管理系统进行功率配置和确定控制策略。SOH主要供用户评估电池的健康状态以及预期寿命管理。

电池保护主要包括过充电保护、过放电保护、过电流、短路保护及过热保护等。BMS需要监测电池的电压、电流、温度是否超出正常范围,并在超出一定条件后作出反应并提供相应的保护。

电池均衡主要使串联的单体电池或电池组电压(容量)偏差保持在预期的范围内,从而保证每个单体电池在正常的使用时保持相同状态,以避免过充、过放的发生。目前为最大限度地发挥电池的效用,延长电池的使用寿命,增加安全性,要求BMS能够实现电池均衡。

热管理是控制电池工作在最适宜的温度区间,对于大功率充放电和高温条件下使用的电池尤为关键。热管理的目的是使电池温度平衡,尽可能降低电池温度在空间上的差异性。

BMS与其他设备的通信是BMS的重要功能之一,根据实际的应用需要,可以采用不同的通信接口进行数据交换。一般采用CAN、RS485、以太网等实现相互间的信息通讯。

BMS本体主要由中央处理单元、数据采集检测模块(包括电流传感器、电压传感器、温度传感器、漏电检测电路)、均衡模块、显示单元模块、控制保护部件(熔断装置、继电器、断路器)等构成。BMS需要在符合电气安全、电磁兼容性、环境适应性等要求的基础上,确保对电池的监测控制和保护。

BMS相关标准方面,全国电力储能标委会2017年最早发布了GB/T 34131-2017《电化学储能电站用锂离子电池管理系统技术规范》,主要面向电化学储能电站的应用规定BMS的使用条件、功能、检验要求等。

国外,CSA和IEEE正在制订BMS相关标准要求。CSA立项了《Battery Management Systems》,涵盖BMS的设计,性能和安全,不仅面向动力电池、储能系统的应用,也包括移动电源应用、电动机械工具等。IEEE立项了《Recommended Practice for BatteryManagement Systems in Energy Storage Applications》,主要包括固定站房中BMS的设计、安装和配置的要求,对接地和隔离、被动和主动均衡、有线或无线传感器等BMS硬件的要求,以及对降低风险的最佳操作算法、告警、与外部通讯等软件功能要求。涵盖的电池类型包括锂离子电池、钠电池、先进铅酸电池和液流电池。CSA和IEEE的两个标准工作组已建立联系,以保持标准的协调。

中关村储能产业技术联盟2019年在GB/T 34131-2017的基础上,组织相关企业,共同制定并发布了T/CNESA1002-2019《电化学储能系统用电池管理系统技术规范》,对相关的逻辑架构、术语,进行了统一,进一步明确了功能要求、性能要求、相关参数的计算精度要求和测试方法。

电池管理系统典型架构

为进一步解决BMS标准落地实施的相关问题,联盟2019年分别在比亚迪、宁德时代组织召开了电力储能BMS标准化研讨会。相关单位在目前BMS通用标准的基础上,研讨了BMS有待进一步明确的问题,决定成立BMS标准化工作组(成员单位名单见文末)。2019年底,经联盟标委会批准,由宁德时代担任第一届工作组组长单位。

工作组针对储能项目急需的通信标准进行了详细研讨,明确了储能系统的通信架构,并于2019年底正式通过立项《电力储能用电池管理系统与外部设备通信》标准,目前该标准由宁德时代牵头起草中。

储能系统通信架构

此外,电力储能系统BMS功能安全要求及测试方法缺失,深圳市科陆电子科技股份有限公司储能研发中心朱伟杰在《锂离子电池储能系统BMS的功能安全分析与设计》【2】中,从系统的危险识别和风险分析、整体安全要求确定和安全功能分配、安全完整性实现及验证3 个主要分析步骤,参照IEC 61508、IEC 60730-1等相关参考标准梳理了电池储能系统BMS功能安全的分析与设计过程。未来在ISO、IEC顶层功能安全标准的基础上需要进一步探讨电力储能功能安全测试要求。

BMS的功能和性能直接关系着电池的性能、寿命、安全和用户体验。一个合适的电池管理系统能够在充分发挥电池优越性能的同时,给予电池最佳的保护,保证电池性能,延长电池寿命,降低运行成本。

未来随着技术的发展,工艺的成熟,应用场景的细分和明确,电池可能会逐步到标准化的产品。而BMS作为电池的直接管理系统,从标准化的测试要求过渡到标准化的产品可能也是未来的发展趋势。联盟会依托BMS标准化工作组,围绕行业需求,不断推进电力储能BMS以至电池系统标准体系的完善。

参考文献

【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】朱伟杰, 史尤杰, 雷博. 锂离子电池储能系统BMS的功能安全分析与设计[J]. 储能科学与技术, 2020, 9(1): 271-278.

关键字:储能BMS标准

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