关于数据中心储能电化学电池管理技术的研究

近年来储能用锂离子电池起火事故，主要原因是锂电池的热失控，即为内部短路、析锂、高温、体积变化等连锁过程致起火爆炸发生。以安全为核心的数据中心更不能接受储能系统爆炸起火的风险。所以，储能电池系统需要有效的手段排除在极早期发现热失控风险，也急需有效的工具来对储能锂电池系统进行安全及寿命的健康度分析。

电池管理系统（BMS），是监测电池状态（温度、电压、电流、荷电状态等），为电池提供通讯接口和保护的系统，实现对储能电池堆的全面控制与保护，并实现与PCS 系统、EMS通信与管理，并确保电池系统的可靠性和安全性。

电池管理中的关键技术主要包括荷电状态（SOC）估算技术、电池健康状态（SOH）估算技术、均衡管理技术和保护技术等。

1.电池管理系统架构

电池管理系统主要目的是保障电池的安全稳定运行，提高电池的循环效率并延长使用寿命。鉴于储能系统中大量的电池信息量和管理需求，电池管理系统一般采用分层管理模式。

根据不同储能系统中的电池成组方式及系统规模容量，电池管理系统（BMS）一般有两种典型结构：两级拓扑结构和三级拓扑结构，包括电池管理单元（BMU）、电池簇管理单元（BCU）和电池阵列管理单元（BAU）。

1）两级拓扑结构

当电池储能系统的规模较小，可采用两级拓扑结构的电池管理系统，如图1所示，为两级拓扑结构示意图。该电池管理系统由多个电池模块管理单元（BMU）和1个电池组管理单元（BCU）组成，系统内部用CAN总线进行数据传输，以确保通信的可靠性与高效性。

图1：两级拓扑结构示意图

2）三级拓扑结构

当储能系统的规模较大时，储能电池并联电池簇较多，可采用三级拓扑的电池管理系统。三级架构可以允许系统更多的适应性、扩展性，适用于各种不同的应用场景。三级拓扑结构的储能管理系统，包括BMU、BCU、BAU。由多个电池模块管理单元（BMU）、多个电池组管理单元（BCU）和1个电池阵列管理系统（BAU）组成，系统内部采用CAN总线进行数据传输。三级拓扑结构示意图如图2所示。

BMU的功能与二级拓扑结构中的BMU功能一致。BCU的功能与二级拓扑结构中的BCU一致。BAU汇集所有BCU的信息，负责整个电池储能系统的运行状态监视和SOC、SOH的估算，并与储能变流器、上层监控通信。BAU按照一定的控制策略，对BCU下达控制命令，统筹管理每串电池组的接入与断开。

图2：三级拓扑结构示意图

2.电池管理系统主要功能

一般来说，BMS要实现电池的充放电管理、电压、电流及温度检测、电量计算、均衡管理、电气保护等九大功能。

图3：BMS功能图

1）电池参数检测功能

BMS应能实时测量电池的电和热相关的数据，应包括单体电池电压、电池单体温度、串联回路电流、绝缘电阻等参数。

2）计算要求

BMS应能够估算电池的荷电状态，充电、放电电能量值(Wh)，最大充电电流，最大放电电流等状态参数，且具有掉电保持功能，具备上传监控系统的功能。

3）状态参数信息上送功能

BMS应具备内部信息收集和交互功能，能将电池单体和电池整体信息上传监控系统和功率变换系统。

BMS应能上送电池舱环境温度、电池舱灭火装置告警、电池舱灭火装置动作等信号。BMS 应能上送电池组SOC、电池组SOH、电池组单体最高电压值、电池组单体最高电压编号、电池组单体最低电压值、电池组单体最低电压编号、电池组单体平均电压值、电池组单体最高温度值、电池组单体最高温度编号、电池组单体最低温度值、电池组单体最低温度编号、电池组单体平均温度值等量测。

4）故障诊断功能

BMS应能够监测电池的运行状态，诊断电池或BMS本体的异常运行状态，上送相关告警信号至监控系统和功率变换系统。

5）电池的电气保护功能

BMS应具备电池的过压保护、欠压保护、过流保护、短路保护、过温保护、漏电保护等电气保护功能，并能发出告警信号或跳闸指令，实施就地故障隔离。

6）管理功能

BMS应能对充放电进行有效管理，确保充放电过程中不发生电池过充电、过放电，以防止发生充放电电流和温度超过允许值，主要功能应符合下列要求：

a) 充电管理功能：在充电过程中，电池充电电压应控制在最高允许充电电压内；

b) 放电管理功能：在放电过程中，电池放电电压应控制在最低允许放电电压内；

c) 电量均衡管理功能：应采用高能效的均衡控制策略，保证电池间的一致性满足要求。

由于电池生产工艺所限，不可能做到每一个电芯的电压内阻等做到完全一致。在电池簇串联使用过程中，内阻大的电芯先放空电，又先充饱电，长期这样使用，各个串联电芯的容量和电压的差异也越来越明显。不一致性的存在使得锂离子电池包的容量小于组中最小单体的容量，造成能量的水桶效应，并进入恶性循环，影响电池寿命。均衡的目的就是使各电芯电压保持一致，最大限度的增加电池的放电量，延长电池寿命。均衡的分类:

依据能量释放的途径分类，分为能耗式或能量转移式；

依据能量释放的控制方式分类，分为主动均衡或被动均衡。

被动均衡是通过接入电阻等耗散元件的方式来消耗电池组中电量较高的电池，达到电池组中各电池电量均衡的目的；被动均衡虽然结构简单，但其只能在电池充电时实现均衡的效果，能量利用率较低。主动均衡是利用外加的DC/DC电路，将电池组中较高电量电池的能量转移到较低电量电池中，实现电池组各单体电池电量的均衡，在充电及放电过程中均可实现均衡；主动均衡对电压采集精度要求较高，电路结构也较复杂；通常均衡电流一般为0.5~5A，以达到对一次充电循环电池组产生的差异进行快速、有效的补偿、消除差异，确保电池系统可用容量最大化。

图4：电池的主动均衡与被动均衡

除了串联电池簇内每模块的均压管理以外，对于多簇并联的储能电池系统，还需要做簇间的均流管理。均流管理是指对并联的电池簇进行均流管理，在每个电池簇回路中增加双向功率控制电路（DC/DC），通过DC/DC 控制调整功率电路的占空比，从而实现每个电池簇的均流控制，保证并联电池簇内各不同SOH的电池可同时达到EOD（End Of Discharge，放电截止）点。

7）统计功能

BMS应具有电池充、放电的累计充、放电量的统计功能，并具有掉电保持功能。

8）通信功能

BMS与功率变换系统之间应有通讯接口，宜有备用接口，作为冗余，同时宜具备1个硬接点接口。BMS 与监控系统之间应有以太网通讯接口，宜有备用接口，作为冗余。同时，电化学储能电站内BMS宜单独组网。

9）定值设置功能

BMS应能对电池运行参数、报警、保护定值进行整定，且具备就地和远程修改功能。

10）操作权限管理功能

BMS应具有操作权限密码管理功能，任何改变运行方式和运行多数的操作均需要权限确认。

11）事件记录功能

运行参数的修改、电池管理单元告警信息、保护动作、充电和放电开始/ 结束时间等均应有记录，且时间记录应精确到秒。事件记录应具有掉电保持功能。每个报警记录应包含所定义的限值、报警参数，并列明报警时间、日期以及报警值时段内的峰值。

12）存储功能

BMS应具备足够的容量在线存储信息，且宜采用队列方式存储。

13）故障录波功能

BMS宜有故障录波功能，能够对故障前后的状态量有效记录，电流量记录周期不宜大于50ms，电压量记录周期不大于1s，温度量记录周期不大于5s。记录时间不宜少于10min。

14）显示功能

BMS应能显示确保系统安全可靠运行所必需的信息，如相关定值、模拟量测量值、事件记录和告警记录等。