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功率技術/新能源  

提高能量儲存電池管理系統的監測準確度與資料完整性

上網時間: 2015年10月07日     打印版  Bookmark and Share  字型大小:  

關鍵字:能量儲存  電池管理  逆變器  備份電源  LTC6804 

Mike Kultgen,凌力爾特訊號處理產品部設計經理

Greg Zimmer,凌力爾特資深產品行銷工程師

Stefan Janhunen,Nuvation Engineering BMS產品部設計工程師

大型電池陣列可以作為備份和連續供電的能量儲存系統,這種用法正得到越來越多的關注,例如特斯拉汽車(Tesla Motors)公司不久前推出的家用和商用Powerwall系統便可證明這一點。這類系統中的電池由電網或其他能源連續充電,然後透過DC/AC逆變器為使用者提供交流(AC)電。

以電池作為備份電源並不是新鮮事,目前已經有很多種電池備份電源系統了,從基本的120/240Vac和數百瓦(W)功率的桌上型PC短期備份電源系統,到船舶、混合動力車或全電動車使用的數千瓦(kW)特種車船備份電源系統,甚至是電信系統和資料中心使用的電網級數百kW備份電源系統(圖1)等等。儘管電池化學組成和電池技術領域的進步引起了相當大的關注,但是對於一個可行的電池備份系統而言,還有一個同樣關鍵的部份,那就是電池管理系統(BMS)。


圖1:基於電池的備份電源非常適合從數千瓦到數百kW功率的固定及行動應用,為多種應用可靠和有效地供電

為能量儲存應用實現電池管理系統時有很多挑戰,其解決方案絕不是只從小型、較低容量電池組的管理系統簡單「擴展」而成。相反地,它需要新的、更加複雜的策略以及關鍵的支援元件。

挑戰的起點在於許多關鍵電池參數的測量值都必須具備高準確度和可信度。此外,子系統的設計必須是模組化的,才能按照應用的特定需求為配置進行客製,同時還要考慮可能的擴充要求、整體管理問題以及必要的維護。

較大型儲存陣列的工作環境還帶來了其他重大挑戰。儘管是在逆變器電壓/電流很高並因而產生電流尖峰的情況下,BMS必須在雜訊極大的電氣環境而且經常是溫度很高的環境中提供精確、一致的資料。此外,BMS還必須針對內部模組和系統溫度測量值提供深度「精細」的資料,而不是只是幾項有限的粗略總計資料,因為這些資料對於充電、監測和放電而言至關重要。

由於這些電源系統的重要作用,其作業可靠性自然十分關鍵。要把上面這個容易表述的目標變成現實,BMS必須確保資料準確度和完整性以及連續的健康評估,才能持續採取所需行動。實現堅韌的設計和可靠的安全性涉及多個過程,BMS必須針對所有子系統預期可能出現的問題、執行自測試,並提供故障檢測,然後在備用模式和工作模式下採取恰當的行動。最後一個要求是,由於高壓、大電流和大功率,BMS因而必須滿足很多嚴格的監管標準要求。

將概念轉變成真實世界結果

儘管監測可再充電電池在概念上看來很簡單,只需將電壓和電流測量電路放在電池端子處即可,但現實中的BMS卻很不相同,其更為複雜。

堅韌的設計始於對各節電池的全面監測,這對類比電路功能提出了一些重要要求。電池讀數需要達到毫伏(mV)和毫安培(mA)級的準確度,電壓和電流測量值還必須時間同步才能計算功率。BMS必須評估每次測量的有效性,因為它需要最大限度地提高資料完整性,同時,BMS還得辨識錯誤或有問題的讀數。BMS不能忽視不尋常的讀數,因為這種讀數也許指示有潛在問題,但同時,它又不能根據有錯誤的資料採取行動。

模組化的BMS架構提高了堅固性、可擴展性和可靠性。資料連結各部份之間需要隔離,才能儘可能地降低電氣雜訊的影響,並提高安全性,而模組化則易於實現這種隔離。此外,先進的資料編碼格式,例如迴圈冗餘校驗(CRC)差錯檢測和連結確認協議,可確保資料完整性,使系統管理電路確認所接收的資料就是所發送的資料。

(下一頁繼續:堅固的設計是自下而上建立的)


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