電池管理系統(tǒng)在微電網(wǎng)的應(yīng)用

凌春香

（廣西大學(xué)電氣工程學(xué)院，廣西 南寧530023）

0 引言

隨著可再生能源發(fā)電和微電網(wǎng)的發(fā)展，電池已成為最突出的儲(chǔ)能裝置，引起了廣泛的關(guān)注。盡管電池技術(shù)發(fā)展迅速，電池的功率和能量密度日漸提高，但提高電池管理系統(tǒng)（BMS）的性能同樣重要，使電池成為安全、可靠和經(jīng)濟(jì)高效的儲(chǔ)能方案。深度充放電保護(hù)和準(zhǔn)確的荷電狀態(tài)（SOC）和健康狀態(tài)（SOH）估計(jì)，對BMS提出了更高的要求。BMS應(yīng)包含測量和估計(jì)電池狀態(tài)的功能，同時(shí)配置先進(jìn)的算法控制，以保護(hù)電池免受危險(xiǎn)并提高電池利用效率。

1 微電網(wǎng)的儲(chǔ)能需求

傳統(tǒng)能源不可再生性和環(huán)境污染，給人類發(fā)展帶來的巨大挑戰(zhàn)，大力發(fā)展可再生能源發(fā)電是世界各國解決問題的重要手段。我國以風(fēng)電、光伏發(fā)電為主的新能源近年來發(fā)展十分迅猛，同時(shí)風(fēng)光發(fā)電的間歇性與不確定性，要求電網(wǎng)能夠?qū)?fù)雜且多變的運(yùn)行工況做出有效應(yīng)對[1]。

分布式電源是新能源發(fā)電的常見方式，分布式電源接入微電網(wǎng)并配置儲(chǔ)能系統(tǒng)，微電網(wǎng)與大電網(wǎng)并網(wǎng)，同時(shí)要求微電網(wǎng)能以孤島方式獨(dú)立運(yùn)行，是充分發(fā)揮分布式電源效率并減小其不利影響的有效手段[2]。

為了滿足微電網(wǎng)使用環(huán)境的要求，人們先后將不同類型的儲(chǔ)能技術(shù)應(yīng)用于微電網(wǎng)，根據(jù)能量變化屬性，儲(chǔ)能的主要類型有物理儲(chǔ)能、電磁儲(chǔ)能和電化學(xué)儲(chǔ)能[3]。儲(chǔ)能系統(tǒng)在微電網(wǎng)中有不同的應(yīng)用場景，包括微電網(wǎng)能量分配、獨(dú)立或備用電源、電能質(zhì)量調(diào)節(jié)等應(yīng)用[3-4]。

儲(chǔ)能系統(tǒng)在設(shè)計(jì)和使用時(shí)需要考慮成本、功率、使用年限、循環(huán)壽命、工作環(huán)境等要素，其中發(fā)電成本是限制儲(chǔ)能系統(tǒng)在微電網(wǎng)發(fā)展的重要因素。目前蓄電池是最容易大規(guī)律商業(yè)利用的方案，因此電池儲(chǔ)能系統(tǒng)是微電網(wǎng)應(yīng)用的最廣泛的儲(chǔ)能方式。

2 微電網(wǎng)電池管理系統(tǒng)的功能

電池技術(shù)的發(fā)展非常迅速，為電動(dòng)汽車和電力系統(tǒng)行業(yè)提供了實(shí)用的解決方案，但僅在工藝和材料方面的技術(shù)進(jìn)步并不能保證能夠解決電池應(yīng)用的所有問題。電池管理系統(tǒng)（BMS）也是微電網(wǎng)安全、可靠和高效利用電池的關(guān)鍵因素。圖1顯示BMS與微電網(wǎng)，微電網(wǎng)對分布式資源、負(fù)荷和儲(chǔ)能之間的進(jìn)行控制和能量管理。BMS可以控制電池的運(yùn)行狀況，延長電池的壽命，保證電池的安全性。

2.1 電池監(jiān)控與充放電管理

BMS核心功能是電池的充放電管理，實(shí)現(xiàn)安全高效充放電的前提是測量每個(gè)單體電池的電流、電壓和溫度，并能正確估計(jì)電池荷電狀態(tài)（SOC）。

對不同類型的電池、電壓和電流測量的精度要求是不同的。目前主流鋰電池在電壓測量精度方面是很具挑戰(zhàn)性的，原因在于鋰電池的開路電壓（OCV）與SOC曲線之間非常平坦，尤其是SOC的15%和90%之間，這是蓄電池的典型工作范圍?？煽康匿囯姵豐OC估計(jì)要求電池電壓測量精確到5 mV，目前許多商用電池監(jiān)測集成電路都可以滿足精度要求[5]。電流測量也必須以高精度進(jìn)行，電流測量的典型精度目標(biāo)約為0.5%~1%[5]。在復(fù)雜的SOC算法中，電流與電壓通常一起作用于動(dòng)態(tài)電池模型。

在微電網(wǎng)電池管理系統(tǒng)中，分布式電源的不確定性，決定了電池的充放電速率控制程序應(yīng)當(dāng)有較好的靈活性與適應(yīng)性。但是不同電池的化學(xué)反應(yīng)和物理結(jié)構(gòu)不相同，充放電特性存在差異。這要求微電網(wǎng)BMS針對不同電池，在充放電的速率上有不同的限制。同時(shí)BMS還需要內(nèi)置電池能量優(yōu)化和完善保護(hù)的功能，以提高微電網(wǎng)的可靠性和經(jīng)濟(jì)性。

2.2 電池狀態(tài)估計(jì)

電池的狀態(tài)估計(jì)主要分為電量估計(jì)和壽命估計(jì)，兩者有一定的關(guān)聯(lián)。通常電池剩余電量用荷電狀態(tài)（SOC）表示，剩余壽命用健康狀態(tài)（SOH）表示。

SOC是電池一個(gè)重要狀態(tài)，用百分?jǐn)?shù)表示來電池靜置一段時(shí)間后剩余容量與完全充電狀態(tài)容量的比值[6]。準(zhǔn)確估計(jì)SOC不僅是對微電網(wǎng)中的能量進(jìn)行優(yōu)化管理的前提，而且還能夠保護(hù)電池免受深度放電或過充電條件的影響，避免電池壽命降低帶來潛在的安全隱患。SOC是重要參數(shù)但無法直接測量，因此需要開發(fā)相應(yīng)的算法，根據(jù)測量數(shù)據(jù)估計(jì)單體電池或電池組的SOC。

SOH是電池的另一個(gè)重要功能指標(biāo)，SOH預(yù)測電池在壽命終止前可用的循環(huán)次數(shù)。電池壽命與電池化學(xué)材料，電池在使用過程中材料的電化學(xué)性能逐漸劣化，電池過充、過放、錯(cuò)誤估計(jì)SOC情況下使用，都有可能導(dǎo)致電池壽命終結(jié)[7]。電池壽命結(jié)束將導(dǎo)致微電網(wǎng)BMS的能量管理功能失效，而SOH也是一個(gè)無法直接測量的參數(shù)，因此微電網(wǎng)BMS在延長電池壽命和安排電池更換策略方面提供的功能至關(guān)重要。

2.3 電池安全和保護(hù)

BMS另一個(gè)重要功能是確保電池的安全可靠，并防止在對電池和用戶有害的情況下運(yùn)行。電池的工作狀態(tài)和環(huán)境溫度，都會(huì)影響電池本身的電化學(xué)特性，甚至是發(fā)生不安全運(yùn)行狀態(tài)。因此，BMS應(yīng)當(dāng)具被電氣和溫度等方面的安全與保護(hù)功能。

BMS對電池的電氣的保護(hù)，分為單體電池和電池組的情況。單體電池情況下，當(dāng)SOC低于某個(gè)百分比時(shí)長時(shí)間靜置、電池放電過深、充電過多、以高于電池化學(xué)安全水平的充電速率（C速率）對電池充電或放電，都可能會(huì)出現(xiàn)電池危險(xiǎn)運(yùn)行情況，因此單體電池應(yīng)設(shè)定電壓、SOC和充放電速率的上限值[8]。BMS總電池組由多個(gè)并聯(lián)和串聯(lián)的單體電池組成，以提供足夠的工作電壓和容量來支持應(yīng)用。電池組中單體電池的不一致，也有可能帶來運(yùn)行得不安全，電池組應(yīng)用時(shí)應(yīng)當(dāng)解決均衡問題。如果單體電池的電壓和容量不匹配，整個(gè)蓄電池組將無法有效工作。例如，在放電過程中，當(dāng)一個(gè)單體電池電壓低于截止電壓時(shí)電池組放電停止，其余電池中的電荷有可能無法充分利用。這種類型的不匹配可能是因?yàn)閱误w電池的電壓或SOC不一致造成的，因此微電網(wǎng)BMS應(yīng)當(dāng)部署電池均衡技術(shù)來優(yōu)化電池組的性能[9]。

BMS的溫度保護(hù)功能，對于電池的安全，尤其對鋰電池非常重要。同時(shí)，外部工作溫度直接影響電池內(nèi)阻和容量等參數(shù)，電化學(xué)性能也隨之發(fā)生變化[8]。在微電網(wǎng)中，電池組由于安裝空間大小的限制，單體電池散熱空間較小，甚至有局部溫度過高的風(fēng)險(xiǎn)。局部高溫會(huì)加重電池不一致性的問題，高溫有可能損壞設(shè)備絕緣層甚至造成火災(zāi)和電池爆炸的事故。為了解決這些問題，BMS應(yīng)當(dāng)具有電池?zé)峁芾淼墓δ?，設(shè)置電池工作溫度范圍，以防止電池在安全溫度范圍之外工作。熱管理使用熱傳遞分析來確定電池組內(nèi)部的熱量分布，并在必要時(shí)嵌入通道，使用空氣或液體去除熱量。

此外，長期使用的電池外部尺寸存在一定變化，也是微電網(wǎng)BMS設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)當(dāng)考慮的問題。

3 微電網(wǎng)BMS相關(guān)技術(shù)的現(xiàn)狀與挑戰(zhàn)

為微電網(wǎng)設(shè)計(jì)BMS具有多方面的挑戰(zhàn)，一些國家實(shí)驗(yàn)室和研究機(jī)構(gòu)正在努力提高微電網(wǎng)BMS的性能，以滿足分布式發(fā)電應(yīng)用的要求。目前微電網(wǎng)BMS研究主要包括建立精確的電池模型、SOC和SOH估計(jì)算法、電池組均衡技術(shù)和提高電池組效率等方面。

3.1 SOC估計(jì)算法

電池荷電狀態(tài)（SOC）表述電池剩余電量的百分比，是電池應(yīng)用的關(guān)鍵。電池參數(shù)具有非線性，SOC受充放電電流、環(huán)境溫度、電池自放電率、電池剩余壽命等因素的影響，因此在微電網(wǎng)BMS在線估計(jì)電池SOC具有一定的挑戰(zhàn)。

SOC估算包括開路電壓法、安時(shí)積分法、電化學(xué)阻抗譜法、卡爾曼濾波法、線性模型法、放電實(shí)驗(yàn)法、BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法、人工免疫粒子濾波算法、卡爾曼濾波估算法、主元分析的估算法、遺傳算法等方法[6]。

開路電壓法是另一種基于開路電壓與SOC靜態(tài)關(guān)系估算SOC的方法，由于電池獲得來路電壓需要電池長時(shí)間靜置，難以在線應(yīng)用。安時(shí)積分法通常以庫侖計(jì)數(shù)為方法，雖然易于實(shí)現(xiàn)，但受SOC初始值未知以及電流傳感器誤差的限制，誤差會(huì)隨著時(shí)間累積。電化學(xué)阻抗譜（EIS）利用專用的EIS分析儀測量計(jì)算出電池的內(nèi)阻，但這個(gè)過程也需要很長的時(shí)間，因此只適用于離線分析。線性模型法并不適用于大電流放電情況，放電實(shí)驗(yàn)法適合恒定電流放電工況，這兩種方法都不適合在復(fù)雜工況下為微電網(wǎng)BMS提供可靠SOC估算。

近年來，基于模型的SOC估計(jì)方法得到了廣泛的發(fā)展和應(yīng)用，如卡爾曼濾波法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法、遺傳算法等，但這些方法都是基于電池模型參數(shù)的離線識別而設(shè)計(jì)的，在線估算SOC存在一定誤差。隨著大數(shù)據(jù)技術(shù)快速發(fā)展，一些國家科研機(jī)構(gòu)正在通過大數(shù)據(jù)對電池進(jìn)行在線SOC和SOH估算，利用互聯(lián)網(wǎng)和云計(jì)算，優(yōu)化并更新微電網(wǎng)BMS本地?cái)?shù)據(jù)，提高估算準(zhǔn)確性。

3.2 SOH估計(jì)算法

SOH是電池狀態(tài)的重要指標(biāo)，用于檢測和分析電池中可能由各種機(jī)制引起的老化現(xiàn)象。電池老化表現(xiàn)為電池容量下降和電池內(nèi)阻增大，而這些電池參數(shù)的變化通常是不可逆的。電池老化速度和程度，與循環(huán)次數(shù)、充放電功率大小、溫度有關(guān)，當(dāng)環(huán)境溫度上升10°C，電池壽命將會(huì)減半。

目前的電池SOH估算方法，可分為基于經(jīng)驗(yàn)的方法和基于電池性能的方法，如循環(huán)周期數(shù)法、加權(quán)安時(shí)法、基于電池機(jī)理模型、基于電池電路模型、基于數(shù)據(jù)模型等方法[7]。該領(lǐng)域的大多數(shù)研究都將性能退化、內(nèi)阻增加或兩者的結(jié)合作為SOH的衡量標(biāo)準(zhǔn)。容量和內(nèi)阻的變化的測量，需要考慮到電池的實(shí)際應(yīng)用，一些研究已經(jīng)定義了更實(shí)用的指標(biāo)，剩余使用壽命（RUL）和壽命終止（EOL）。

微電網(wǎng)BMS中電池的SOH，需要根據(jù)用戶的隨機(jī)行為以及運(yùn)行條件，進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析來預(yù)測EOL和RUL，電池的當(dāng)前狀態(tài)需要通過識別相應(yīng)的參數(shù)在線確定。BMS需要為循環(huán)能力下降和內(nèi)阻增加建立準(zhǔn)確的模型，統(tǒng)計(jì)分析確定當(dāng)前循環(huán)對電池參數(shù)的影響，與完全循環(huán)效應(yīng)相比。微電網(wǎng)BMS應(yīng)當(dāng)具備有線參數(shù)識別算法估計(jì)電池的容量和內(nèi)阻、預(yù)測未來電池的容量和內(nèi)阻、基于用戶行為的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)估算電池的EOL和RUL等功能。

3.3 電池建模

準(zhǔn)確的電池特性模型對SOC和SOH的估計(jì)精度至關(guān)重要，目前的電池模型主要有經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?、?shù)據(jù)模型、電化學(xué)機(jī)理模型和等效電路模型[11]。

電化學(xué)反應(yīng)的模型對制造商優(yōu)化電池設(shè)計(jì)很有用，但求解電池模型的方程的算法的需要較多計(jì)算時(shí)間和內(nèi)存，不適合在線估算電池SOC和SOH。數(shù)據(jù)模型是是將電池建模為一個(gè)黑盒，根據(jù)測量到的電壓、電流和溫度等參數(shù)，統(tǒng)計(jì)建?；蚯€擬合方法來推導(dǎo)電池的運(yùn)行模型。上述模型的主要缺點(diǎn)是不考慮電池內(nèi)部電路特性，等效電路模型較好的回避了這些缺陷，也稱為電氣模型。電氣模型將電池建模為電壓源和電阻、電感、電容組合的電路，有利于在線實(shí)時(shí)監(jiān)控。但是由于電池內(nèi)阻的高度非線性，等效電路模型需要大量建模工作，在大量電池串并聯(lián)組成電池組時(shí)，建模難度較大[11]。

隨著互聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算、智能算法、大數(shù)據(jù)技術(shù)的發(fā)展，數(shù)據(jù)模型結(jié)合等效電路模型，是微電網(wǎng)BMS重要發(fā)展方向之一。

3.4 電池均衡[12]

提供了有電池均衡的的各種方法，總結(jié)如表1。

電池均衡技術(shù)主要有主動(dòng)均衡和被動(dòng)均衡兩種類型[9]。被動(dòng)式電池平衡的實(shí)現(xiàn)成本較低，只需要每個(gè)電池有一個(gè)控制開關(guān)和一個(gè)放電電阻，就可以將電池中的額外能量轉(zhuǎn)化為熱量消耗掉。主動(dòng)均衡技術(shù)是將SOC或電壓較高的電池多余能量轉(zhuǎn)移到SOC或電壓較低的電池上，相比起被動(dòng)均衡，主動(dòng)均衡的損耗較小，但是電路復(fù)雜成本較高。

目前較理想的方案是分層均衡，在電路復(fù)雜性與效率之間找到一個(gè)真正的折衷點(diǎn)。將數(shù)量較少的單體電池組成電池組模塊單元，使用主均衡電路來均衡模塊單元之間的電荷，模塊均衡電路完成模塊單元內(nèi)部單體電池的均衡。

4 結(jié)束語

智能BMS對于微電網(wǎng)和分布式發(fā)電行業(yè)的發(fā)展至關(guān)重要，適當(dāng)?shù)腂MS電路和算法來監(jiān)測和控制電池，可以保證儲(chǔ)能裝置的安全性和可靠性，提高電池組的功率和能量效率并降低其應(yīng)用成本。盡管應(yīng)用中BMS的已經(jīng)滿足微電網(wǎng)基本性能要求，但為滿足微電網(wǎng)的特殊要求仍有許多研究和開發(fā)正在進(jìn)行，這一領(lǐng)域的研究包括但不限于：找到一種準(zhǔn)確且實(shí)用的SOC和SOH估計(jì)算法以準(zhǔn)確預(yù)測電池的RUL和EOL、電池模型建立、電池組中不同單體電池和模塊之間的均衡技術(shù)。