Page 14 - 电力与能源2021年第五期

5 0 6 秦晓维, 等: 提升安全性能的储能系统设计

果性能不一致则会产生环流, 并且该环流不可测 多, 并没有考虑到线阻对于 BMS 的影响, 一旦受
也不可控, 构成安全隐患。 到污染或冲击导致接线之间短路, 将会在电芯之
1.2 PCS安全的研究现状 间形成短路。文献[ 15 ] 描述与锂电池管理系统相
电池组通过 PCS 和应用对象连接, 实现可控 比, 液流电池管理系统不仅要实现对电池的监测、
的功率控制和能量交换。 荷电状态和健康状态的估算外, 还要测量管道的
文献[ 8-10 ] 研究了适用于大容量应用场合的 流量和压力、 控制气路阀, 因此设备之间的连接线
储能变流器, 其拓扑结构一般为单级式, 与双级式 束大大增加, 增大了设备之间短路的概率, 降低了
相比, 可以有效地降低储能的功率损耗, 并连接相 安全性能。文献[ 16 ] 研究了 Zi gBee无线通信方
当容量的电池组, 以提高效率。文献[ 11 ] 指出在 式的电池管理系统, 实现了采集单元到管理单元
储能系统中的电池出口处一般会配置直流机械开 之间数据的无线传输, 但还是会存在导线老化的
关做短路 保 护, 问 题 是 当 PCS 的 直 流 母 线 有 短 现象, 增加故障率。
路, 由于机械开关时延大( 几十毫秒), 在短路过程 BMS基本是采用电池管理单元( BMU )、 电池
中, 电池组承受很大的短路电流, 造成不可逆的损 充电单元( BCU ) 再到微机制动控制单元( MBCU )
伤。电池组由大量的单体电池构成, 具有不均衡 的二级或三级的管理通信架构。最低一级 BMU
的特性却承受相同的出力, 对电池组的损伤会持 汇集 12 节左右电芯的单体电压数据及其他一些
续加重。文献[ 12 ] 研究了两个金氧半场效晶体管 温度数据, 再逐级向上汇集。由此 BMU 测量单
( MOSFET ) 串联组成的双向控制开关作为储能 元与电芯间有大量电压测量线, 有的以电路板形
系统的硬件保 护, 但是 采用的 MOSFET 开关管 式汇集, 但都不能避免大量的电线或板线连接, 一
会加大储能系统的功率损耗, 降低储能系统功率 旦受到冲击或污染, 线间短路则引起电芯短路。
输出效率。 1.4 储能系统框架的研究现状
文献[ 13 ] 针对单元级联式高压变流器的关键 储能系统的管理与控制框架是指如何对构成
技术进行研究, 该变流器无需考虑直流侧短路问 储能子系统的各个部件或设备进行管理, 如何分
题和电容均压问题, 并且 3 个模块的结构完全相 级、 如何设计数据的双向传递和传送路径, 是提高
同, 便于控制, 提高了工作的可靠性, 但采用的可 整个系统安全的重要方面。
关断器件较多, 造成很高的开关损耗。 文献[ 17-20 ] 的 静 止 储 能 协 调 控 制 框 架 为:
在大容量应用场合, PCS 一般采用单级式拓 BMS和 PCS 将全部数据传输给协调控制器, PCS
扑结构和单元级联式拓扑结构, 单级式拓扑结构 将部分关键数据传送给 BMS , 协调控制器经过处
会因为直流侧母线短路, 使电池组承受很大的短 理后传输给上位机; 当上位机给协调控制器下发
路电流, 对电池造成不可逆的损伤; 单元级联式拓 调度指令, 协调控 制器经过处理后, 直接给 PCS
扑结构所需的可关断器件较多, 造成较大的开关 下发协调指令, 同时 PCS 在接收到 BMS 许可的
损耗。 情况下, 才 可 以 改 变 控 制 模 式, 如 图 2 ( a ) 所 示。
1.3 BMS安全的研究现状 文献[ 21-25 ] 的移动储能协调控制框架为: 当充电
BMS 的功能主要是根据采集电芯的电压、 电 枪与车辆对接后, 充电信号就会激活整车控制器
流、 温度及绝缘电阻的数据, 利用相应的算法实现 ( VCU ), VCU 同时激活 BMS 和充电桩, BMS 作
SOC 、 电池健康度 ( SOH ) 的估算, 实现对电芯的 为电池的直接管理者, BMS 控制充电桩给动力电
充电管理、 放电管理、 均衡管理、 热管理以及故障 池充电, 如图 2 ( b ) 所示。
诊断和保护, 同时对数据进行存储和通信。通过 目前储能电站大多采用传统储能子系统控制
对控制策略和通信方式的 不断优化, 使 BMS 可 框架, 由上位机控制协调控制器, 协调控制器根据
更加准确地了解电芯的状态, 成为电芯的“ 大脑”, PCS 和 BMS 的数据进行逻辑判断, 最终输出控
对电芯发出的数据做出合理反馈。 制指令给 PCS , 同时 PCS 也会根据部分 BMS 的
文献[ 14 ] 研究了双控制器的 3 级架构储能电 关键数据, 选择执行的模式。电动汽车采用移动
池管理系统, 虽然极大丰富了 BMS 的对外接口, 储能子系统控制框架, 当充电枪插入汽车, 会激活
但由于各级架构之间以及与控制器之间的接线繁 VCU , VCU 就会激活 BMS 和 PCS , 此时的 PCS