電池儲(chǔ)能系統(tǒng) (BESS) 在住宅、商業(yè)、工業(yè)和電網(wǎng)儲(chǔ)能的管理中發(fā)揮著重要作用。在現(xiàn)代 BESS 中，電池管理系統(tǒng) (BMS) 如同電池組的大腦，監(jiān)測(cè)電壓、電流和溫度等參數(shù)，并深入了解充電狀態(tài)（評(píng)估可用剩余電量）和運(yùn)行狀況（評(píng)估電池芯的整體狀態(tài)和老化程度）。通過(guò)確保更好的電池監(jiān)測(cè)器的精度并增強(qiáng)系統(tǒng)級(jí)安全性，BMS 可以有效維持能源使用效率，延遲電池的過(guò)早老化，從而延長(zhǎng) BESS 壽命。

確保電池監(jiān)測(cè)器的精度

電池組監(jiān)測(cè)器不僅可以提高電芯電壓測(cè)量的精度，還有助于改善荷電狀態(tài)估算和過(guò)壓保護(hù)。荷電狀態(tài)算法和其他高壓系統(tǒng)診斷還需要準(zhǔn)確報(bào)告電池組電壓和電流。

磷酸鐵鋰 (LiFePO4) 電池因其可靠性和合理的成本而成為 BESS 中常用的電池類型，其高精度測(cè)量與系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性直接相關(guān)。LiFePO4 電池的電壓曲線特征明顯，在大部分有用容量?jī)?nèi)，充放電曲線基本保持平坦，從而在充電結(jié)束之前提供更穩(wěn)定的工作電壓；而當(dāng)達(dá)到充電終點(diǎn)時(shí)，電壓水平會(huì)迅速下降。如果未能檢測(cè)到充放電曲線平坦區(qū)域的輕微電壓變化，可能會(huì)增加荷電狀態(tài)估算中出現(xiàn)誤差的風(fēng)險(xiǎn)。

增強(qiáng)系統(tǒng)級(jí)安全性

各種因素會(huì)直接影響電池性能下降，包括過(guò)度充電和過(guò)度放電情況、高溫、低溫和充電電流過(guò)高。BMS 中的集成式監(jiān)控和保護(hù)套件有助于降低這些情況的發(fā)生率。例如，集成式電芯均衡等功能可以通過(guò)確保電芯緊密均衡，防止較弱的“不均衡”電芯使整個(gè)電池組造成過(guò)載，從而大大延長(zhǎng)電芯整體壽命。精確平衡和高精度電芯測(cè)量可緩解并檢測(cè)電芯操作和調(diào)節(jié)中的低效情況。

在電池組的整個(gè)使用壽命期間，電芯之間的差異不斷增加。隨著電芯容量持續(xù)增加，在 ESS 中，僅采用被動(dòng)均衡是不夠的。主動(dòng)電芯均衡和主動(dòng)電池組均衡有助于延長(zhǎng) ESS 壽命并減少人工維護(hù)需求。

用于實(shí)現(xiàn)電池均衡的主動(dòng)均衡設(shè)計(jì)方法使用雙向隔離 DC/DC 轉(zhuǎn)換器來(lái)實(shí)現(xiàn)能量傳送，有助于提高整個(gè)系統(tǒng)的利用率。

實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)使用壽命

蓄電池的循環(huán)壽命隨著每一代產(chǎn)品的更新，從 10,000 次提升到 12,000 次，甚至達(dá)到 15,000 次。這種增長(zhǎng)有可能使產(chǎn)品的使用壽命在某一天達(dá)到 20 至 25 年。延長(zhǎng)電池的使用壽命是 BESS 開(kāi)發(fā)中的重要考慮因素，可幫助設(shè)計(jì)人員提供具有競(jìng)爭(zhēng)力且高效的產(chǎn)品。

應(yīng)用基礎(chǔ)知識(shí)

圖 1 展示了一個(gè) BESS 架構(gòu)。此系統(tǒng)適用于基于鋰離子和 LiFePO4 電池的高壓 (1,500V) 電池系統(tǒng)，包含多套完 整系統(tǒng)解決方案的參考設(shè)計(jì)。

適用于儲(chǔ)能系統(tǒng)的高達(dá) 1,500V 的可堆疊電池管理單元參考設(shè)計(jì)結(jié)合了多個(gè)電池管理單元，這些單元利用 BQ78706 堆疊式電池監(jiān)測(cè)器通過(guò)冗余數(shù)據(jù)測(cè)量功能來(lái)檢測(cè)電池故障。

接著，適用于儲(chǔ)能系統(tǒng)的 1,500V 高壓機(jī)架監(jiān)控單元參考設(shè)計(jì)展示了一種高壓監(jiān)測(cè)單元 (HMU)，該單元采用 BQ79731-Q1 電池組監(jiān)測(cè)器來(lái)實(shí)現(xiàn)總線電壓和電流的檢測(cè)和測(cè)量，并集成冗余數(shù)據(jù)測(cè)量功能。電池控制單元 (BCU) 能夠可靠地驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)開(kāi)關(guān)，從而幫助維持系統(tǒng)安全。

圖 1. BESS 架構(gòu)方框圖

實(shí)現(xiàn)精確的電池檢測(cè)和可靠的系統(tǒng)架構(gòu)

圖 1 展示了 BCU 和 HMU 的組合如何用于實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)級(jí)安全。HMU 中的 BQ79731-Q1 可實(shí)現(xiàn)高精度總線電壓測(cè)量，最大精度為 ±3.16mV。該級(jí)別的精度水平有助于提高隔離阻抗測(cè)量和接觸焊接檢測(cè)的校準(zhǔn)可靠性和操作簡(jiǎn)易性。BQ79731-Q1 還整合了連續(xù)采樣模數(shù)轉(zhuǎn)換器，具有低增益誤差 (±0.065%) 和低失調(diào)電壓 (-2.5μV 至 7.5μV)。 電壓和電流測(cè)量診斷可通過(guò)使用安全機(jī)制（符合 TI 功能安全標(biāo)準(zhǔn)，達(dá)到汽車(chē)安全完整性等級(jí) [ASIL] D）執(zhí)行，這些機(jī)制由 BQ79731-Q1 提供支持，從而以可靠的測(cè)量結(jié)果實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)級(jí)安全。

圖 2 演示了適用于儲(chǔ)能系統(tǒng)的 TI 電池控制單元參考設(shè)計(jì)，該設(shè)計(jì)采用 BQ78706 電池監(jiān)測(cè)器，可在 –40°C 至 125°C 范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn) ±2.4mV 的電芯電壓誤差。該設(shè)計(jì)通過(guò) TMUX 擴(kuò)展和 TMP61 高精度（–25°C 至 65°C 時(shí) ±1°C）熱敏電阻傳感器測(cè)量每個(gè)單獨(dú)電芯通道的溫度。在 BMU 中，將使用 BQ78706 的集成安全機(jī)制（符合 TI 功能安全標(biāo)準(zhǔn) ASIL B 等級(jí)）診斷電芯電壓和溫度，以獲得可靠的結(jié)果。基于 MSPM0G3519 的軟件開(kāi)發(fā)套件有助于簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)過(guò)程，從而縮短上市時(shí)間。

圖 2. 適用于儲(chǔ)能系統(tǒng)參考設(shè)計(jì)的電池控制單元參考設(shè)計(jì)圖（顯示了可堆疊 BMU 架構(gòu)）

BMU 和 HMU 設(shè)計(jì)符合國(guó)際電工委員會(huì) 62477-2 和美國(guó)保險(xiǎn)商實(shí)驗(yàn)室 1973 加強(qiáng)絕緣的要求，最高可達(dá) 1,500V。該設(shè)計(jì)可與 ISO7841 和 UCC33421 等增強(qiáng)型隔離器配合使用，也可與超寬爬電變壓器以菊花鏈方式連接，確保充分的系統(tǒng)級(jí)安全性。

結(jié)語(yǔ)

安全可靠的 BMS 對(duì)于提高 ESS 的使用壽命、效率以及最重要的安全性方面發(fā)揮著關(guān)鍵作用，尤其是在當(dāng)前電池技術(shù)由鋰離子電池轉(zhuǎn)向 LiFePO4 化學(xué)電池及更先進(jìn)的方案的趨勢(shì)下。BMS 設(shè)計(jì)方法提供精確的數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)，并實(shí)現(xiàn)所有 ESS 模式下的電池組和電芯級(jí)均衡，從而最大限度地提高對(duì)太陽(yáng)能、風(fēng)能等可再生能源的能源利用率，這有助于在用電高峰期間穩(wěn)定電網(wǎng)運(yùn)行、或在斷電期間提供穩(wěn)定的備用電力支持。

審核編輯 黃宇