基于BMS的电池舱保护控制策略研究

谢青松，张鹏远，王 鹏，王法宁，王 京，郭宝甫

（1.许继集团有限公司，河南 许昌 461000；2.许昌许继电科储能技术有限公司，河南 许昌 461000）

0 引 言

近年来，电化学储能电站在电网侧、用户侧和发电侧都得到了广泛应用[1]。磷酸铁锂电池以其全密封、不怕火烧、体积小、重量轻以及能量密度高等特点，成为电网侧储能电站中电化学电池的主流选择[2]。然而，在大规模储能应用场合中，磷酸铁锂电池系统的单体电池容量较大，电池簇所含的串并联单体数量较多。多个电池簇并联后的电池堆电流较大，在使用过程中如果出现单体电池质量不佳、整簇运行一致性差等情况，极易引起局部热失控，造成起火甚至爆炸[3-4]。此外，如果运行管理不善，未能及时发现异常或故障，或处置不合理，则会降低电池寿命，或者发生波及整体系统的连锁反应，给局部电网的电能质量和稳定性造成冲击。

目前，大多数电化学储能电站的电池舱都配备了空调、风机和消防设施，起到了温度调节、火灾预警和灭火的作用。同时，电池舱配置有电池管理系统（Battery Management System，简称BMS），对电池系统的运行起到监视、预警和保护的作用。但是，目前电池舱的空调、消防系统、风机和BMS系统相互独立，不产生数据和控制逻辑上的交互，导致储能舱的安全保护措施不能发挥最大效用。因此，有必要开展电池舱消防系统等设备与BMS系统的安全联动策略研究，发挥各自的优势，高度协同配合，提高储能电站的安全性。

1 电池储能电站用BMS

电池管理系统用于实时监视电池运行过程中的各种状态量，如电压、温度、电流、SOC和SOH等，对电池充放电过程进行精细化管控，保证电池系统安全、可靠、高效运行，延长电池使用寿命[5-7]。不同于其他应用场景，储能电池系统所用电池数量巨大，拓扑复杂，整个储能站需要接入BMS的设备数量也很大[8]，因此与普通BMS相比，储能电站对BMS的使用提出了更高要求，如海量数据处理能力、复杂协议的处理能力、极高的响应速度、复杂的控制策略、高效的主动均衡策略、热管理能力、强大的抗干扰能力以及运行的高安全性和可靠性等[9]。

为了适应储能电站需求，储能电站BMS通常按照电池箱、电池簇以及电池堆分层管理的方式划分为三层架构，分别对应电池管理单元、电池簇管理单元和系统通信管理单元。其中，电池管理单元负责实时采集单体电池电压和温度，具备热管理控制和均衡功能，并与电池簇管理单元进行数据交换，通常安装于电池插箱外侧；电池簇管理单元负责收集下层电池管理单元的信息，具备单体电池与电池簇的数据采集和监测、SOC等状态估算、热管理以及故障告警保护等功能，同时可将单体电池和电池簇的运行状态、告警信息等上送给系统通信管理单元，通常安装于簇高压箱内；系统通信管理单元的功能为实时接收电池簇管理单元上传的电池数据，对数据进行计算、分析和整理，完成告警处理、记录存储及实时显示，还具备定值整定、对时等功能，对外可与储能变流器（简称PCS）、储能监控系统、消防系统等进行通信及联动控制[10]。图1为储能电站BMS整体架构及典型应用，江苏某储能电站采用了该应用方案[11]。

图1 储能电站BMS整体架构及典型应用

2 BMS保护联动控制策略

电化学储能电站通常采用标准预制舱体户外布置形式[12]。电池舱体内一般安装有BMS、PCS、空调、风机、感烟探测器、感温探测器、火灾自动报警系统及自动灭火系统，此外还可安装火灾智能预警系统、可燃气体探测器和排烟风机等，共同保障电池舱的安全运行。

为了适应电池储能电站的安全运行需求，本文提出一种基于BMS的电池储能舱保护控制策略[13]。该方案在江苏某磷酸铁锂电池储能电站得到了很好应用。下面以该储能电站为例，介绍BMS与电池舱其他设备的联动控制方案。

该储能电站的电池舱安全防护系统由火灾自动报警系统、感烟探测器、感温探测器、可燃气体探测器、七氟丙烷灭火系统、BMS、PCS、空调、电池箱风扇以及排烟风机等组成，基本架构如图2所示。

图2 电池舱安全防护系统架构图

由图2可见，BMS在整个安全防护系统中处于关键核心位置。BMS不仅与PCS、空调、电池箱风扇等联动完成消防中“防”的环节，还与火灾智能预警系统和火灾自动报警系统直接联动，与七氟丙烷灭火系统间接联动，完成消防中“消”的环节。下面对BMS在整个安防系统的工作原理进行阐述。

2.1 BMS与PCS的联动策略

PCS是电池的充放电设备，BMS是电池的保护设备。电池在工作过程中可能会出现过压、欠压、过温、欠温、过流以及绝缘降低等故障状况。当发生任一种故障时，如果不及时采取措施，都可能酿成安全事故。BMS必须实时检测电池的电压、温度、充放电电流以及绝缘电阻等，一旦发现故障，必须迅速定位故障点，对故障进行分类并及时处理。通常，储能电站BMS将电池故障分为三级：一级故障BMS产生轻度告警；二级故障BMS产生中度告警并通知PCS待机；三级故障BMS产生重度告警，通知PCS停机，并切断直流侧开关。图3是BMS与PCS的联动逻辑流程图。

图3 BMS与PCS联动流程图

2.2 BMS与温控系统的联动策略

温控系统包括空调和电池箱风扇等。BMS实时检测电芯温度，当检测到电芯温度高于设定值时，启动该电芯所在电池箱的风扇，直到电芯温度回到正常值后关闭风扇。该储能站未在电池箱安装加热器，如果安装了加热器，则当检测到电芯温度低于设定值时，启动该电芯所在电池箱的加热器，直到电芯温度回到正常值后关闭加热器。BMS与空调联动，需要同时考虑电芯温度和环境温度。电芯温度由BMS直接采集，环境温度可由空调采集并送给BMS或者由BMS直接采集。BMS结合电芯温度和环境温度，对空调进行定温控制。假设电芯温度为t1，环境温度为t2，空调温度设定值为Tset，则Tset可由式（1）和式（2）得出：

式中，f1为电池箱内电芯温度场分布函数，tmax为最大电芯温度，tmin为最小电芯温度，f2为电池舱内电芯温度与环境温度的场分布函数。

图4给出了BMS与空调联动逻辑流程图。

图4 BMS与空调联动流程图

2.3 BMS与消防系统的联动策略

以上主要是“防”的环节，而“消”的环节主要涉及BMS与可燃气体探测器、火灾智能预警系统和火灾自动报警系统的联动控制。当可燃气体探测器检测到电池舱内可燃气体浓度达到阈值1时，可燃气体探测器通过火灾智能预警系统发送信号1至BMS（以下可燃气体探测器到BMS的火灾信号均经由火灾智能预警系统转发，不再赘述），由BMS断开直流侧开关动作，切断电池充放电回路，关闭空调、启动排烟风机。当可燃气体探测器检测到电池舱内可燃气体浓度达到阈值2时，可燃气体探测器发送信号2至BMS，由BMS断开直流侧开关动作，切断电池充放电回路，关闭空调、关闭排烟风机。同时，可燃气体探测器发送信号3至火灾自动报警系统（经由BMS），发出报警信号，并启动火灾自动报警系统进行灭火。当感烟探测器、感温探测器检测到烟雾浓度、舱内温度达到一定值时，则火灾自动报警系统会发出警报，通知BMS断开直流侧开关，同时启动灭火。具体流程如图5所示。

3 试验验证

3.1 试验平台

为了验证基于BMS的电池舱保护控制策略的有效性，建立了工程试验平台开展相关试验研究。该试验平台由1个PCS舱和1个电池舱组成，每个PCS舱内有2台PCS，每个电池舱内有2个电池堆，每个电池堆由4簇电池构成，每簇电池由222节单体电池串联构成，每个单体电池由6节72 Ah磷酸铁锂电池并联而成，单体电池的放电截止电压为2.5 V，充电截止电压为3.65 V。每个电池堆配置1套BMS。

3.2 试验方法

为探究所提控制策略对电池系统温度一致性的影响，针对BMS与温控系统联动控制（以下简称联动控制）及BMS与温控系统孤立运行（以下简称孤立运行）两种运行条件设计4组试验。

图5 BMS与消防系统联动流程图

A组：室外温度25 ℃，对同一簇锂离子电池，分别在联动控制和孤立运行条件下用相同功率充至50%SOC，记录该簇所有单体电池的温度。

B组：室外温度25 ℃，对同一簇锂离子电池，分别在联动控制和孤立运行条件下用相同功率充至80%SOC，记录该簇所有单体电池的温度。

C组：室外温度30 ℃，对同一簇锂离子电池，分别在联动控制和孤立运行条件下用相同功率充至50%SOC，记录该簇所有单体电池的温度。

D组：室外温度30 ℃，对同一簇锂离子电池，分别在联动控制和孤立运行条件下用相同功率充至80%SOC，记录该簇所有单体电池的温度。

电池舱运行数据由BMS记录并存储，同时观察在应用该联动控制策略的条件下该电池舱的整体运行情况。

3.3 试验结果与分析

通常用标准差判断一组数据的离散程度。这里用一组电池温度的标准差判断该组电池的温度不一致程度。具体地，可通过式（3）计算A、B、C、D共4组试验数据的标准差：

式中：σ为电池温度的标准差，ti为电池单体温度，tave为电池平均温度。由式（3）计算A组试验联动控制的电池温度标准差σ1为0.71，孤立运行的电池温度标准差σ2为1.33，电池温度曲线如图6所示；B组试验联动控制的电池温度标准差σ1为0.84，孤立运行的电池温度标准差σ2为1.13，电池温度曲线如图7所示；C组试验联动控制的电池温度标准差σ1为1.69，孤立运行的电池温度标准差σ2为2.25，电池温度曲线如图8所示；D组试验联动控制的电池温度标准差σ1为1.67，孤立运行的电池温度标准差σ2为2.11，电池温度曲线如图9所示。

图6 A组电池温度曲线

图7 B组电池温度曲线

图8 C组电池温度曲线

图9 D组电池温度曲线

由试验结果可见，BMS与温控系统联动控制可以有效降低电池系统温度不一致程度，提高电池系统的运行安全。同时，通过长期观察该电池舱运行情况发现，所提的BMS与消防系统联动控制策略可以在发生消防告警时及时隔离电池系统和储能变流器，有效保障电池舱的运行安全。BMS与PCS的联动控制策略避免了储能舱运行期间直流断路器、接触器等频繁跳开的情况，电池舱运行期间基本无需人工干预，储能站的智能运维水平显著提高。

4 结 论

本文介绍了电池储能电站BMS的基本架构和功能。由于BMS在保障储能电站安全运行中发挥着关键核心作用，本文着重对储能电站中BMS的保护策略进行了研究，提出了一种基于BMS的电池舱保护控制策略。该策略侧重于BMS与PCS、温控系统、消防系统等的联动控制。通过工程实践验证了该策略能够有效降低电池系统温度不一致程度，能够显著提高电池舱的安全性和可靠性，提高了储能站的运维水平。本文的研究成果对储能电站的安防建设和运行方案制定具有一定的参考意义。