储能系统中常见的均衡技术详解

储能系统中常见的均衡技术详解

引用

CSDN

1.

https://blog.csdn.net/qianoocheng/article/details/144628483

储能系统中的电池管理系统（BMS）是确保电池组安全、可靠运行的关键组件。其中，均衡技术是BMS的核心功能之一，用于解决电池组中单体电池之间的不一致性问题。本文将详细介绍BMS中均衡技术的原理、分类和具体实现方案。

一、BMS中为什么需要均衡

1. 什么是BMS

BMS（Battery Management System）即电池管理系统，主要由三部分组成：Battery（电池）、Management（管理）、System（系统）。

• Battery：电芯作为BMS系统中重要的组成部分，无论Cell还是Pack作为BMS中的底层基础，整个BMS设计都是围绕Battery展开设计。
• Management：PCM能够实时监测电压、电流、温度等参数，通过管理不断优化管理策略实现电池组的安全可靠。把整个电池包管理好。
• System：BMS可以通过自身的通信接口、模拟/数字输入输入接口与外部其他设备（PCS、EMS、消防系统等）进行信息交互，形成整个储能系统内各子系统的联动控制，确保储能安全、可靠、高效并离网运行。

2. BMS的功能

BMS主要解决三个问题：

• 感知：感知电池的状态，了解电池的SOC（荷电状态）、SOP（功率状态）、SOH（健康状态）。
• 管理：尽可能用好电池，包括均衡管理、热管理等。
• 保护：对电池包进行故障诊断，给出相应的保护策略。

3. BMS为什么要均衡

在储能系统中，有两个重要要求：寿命和效益。

• 长寿命要求：储能系统需要达到10-15年的设计寿命。由于电池制造工艺、使用环境等因素，电池组中单体电池存在离散性，这会导致整组电池容量下降，有效可用寿命减少。通过均衡管理可以改善单体电池充放电平衡，提高电池组寿命。
• 系统效率要求：电池组容量衰减速度远大于单体电池的衰减速度。在深循环应用场景（如削峰填谷）中，为了最大化收益，需要进行深度充放电（80-90%DOD）。此时，电池离散性会严重影响电池组的整体性能。因此，储能BMS需要具备很强的均衡管理能力。

二、BMS中均衡技术介绍

1. 均衡标准要求

常见的储能BMS均衡技术分为被动均衡和主动均衡两大类。根据《GBT34131-2023电力储能用电池管理系统》标准，锂离子电池、钠离子电池和铅酸(炭)电池管理系统应具有均衡功能，均衡方式可采用主动均衡方式和被动均衡方式中的一种或两种。

2. 均衡技术分类

均衡方式按照能量去向不同可以分为被动均衡与主动均衡：

• 被动均衡：主要通过电阻消纳法降低容量/电压偏高的电池单体，均衡效率为0%。
• 主动均衡：通过高向低能量转移的方式进行电池组一致性的优化，典型均衡能力为2A，均衡效率为85%-90%。

均衡技术按照使用的元器件不同可以分为：

• 电阻均衡：在每个单体电池上并联一个可通断的电阻，当单体电池电压超过阈值后，该并联电阻分流。缺点是产生较大的能量损耗。
• 电容穿梭充电均衡：利用串联电容在电池组间来回切换实现电压均衡。缺点是受限于电容容量和电压差，均衡频率受限制。
• 能量转换充电均衡：通过电感线圈或变压器将能量从一节转移到另外一节。缺点是耗时长，成本高。

三、均衡技术方案

1. 被动均衡方案

早期的BMS采用运放的方式，采集每节电芯电压，通过开关管和均衡电阻实现均衡功能。当电芯需要均衡时，打开开关管，通过并联电阻进行放电。

2. 主动均衡方案

• 补电主动均衡：在电池电量低时开始充电，通过主控单元MCU控制双刀双掷继电器，使动触点与常开触点闭合。在放电时，通过切换外部电源电池，确保低SOC电池优先放电。
• 双向DCDC主动均衡：通过控制双向DCDC模块在Boost和Buck模式之间切换，实现能量在相邻电池之间的转移。
• 双向主动均衡：高特电子提出的双向主动均衡技术，通过电源母线实现电池簇及不同模组内的任意单体电池间充放电能量转移，无需二次均衡，均衡转换效率高。

3. Pack级均衡方案

Pack级均衡方案主要包括电池组、电池管理模块（BMU）、组内变换器、组间变换器、开关组和供电总线。组内变换器用于小组内单体电池的均衡，组间变换器用于小组间的电池均衡。

具体步骤如下：

1. 获取电池包内电池的电芯电压值，根据预设规则进行包内均衡。
2. 计算整个电池包簇的电芯平均值，对比正偏差最高和负偏差最高的电芯，如果差值超过设定值，则进行包间均衡。
3. 获取电池包簇的簇间SOC，通过第三DC/DC模块进行电池包簇间的功率分配。

四、常见均衡方案

1. 高特均衡方案

高特均衡方案通过单片机的UART通讯引脚与供电侧监控电路进行通信，通过HB、GS、GP引脚输出PWM波形实现均衡电流控制。均衡回路采样电阻RA2为10mohm，标准均衡电流为2A。

安全设计方面，过流保护值设置在标准采样电阻电压值的103%-150%之间，欠流保护值设置在50%-97%之间。Vcell引脚用于单体电池欠压、过压保护检测，通过调理电阻R3和R4实现电压调理。