电池储能BMS系统设计及应用
摘要：近年来，随着储能电池被广泛应用于新能源发电和电网调峰调频等诸多领域，由储能电池健康状况所引发的系列问题可能会导致用电设备的性能下降或完全失效，产生巨大的危害。如何实现电池健康状况科学而快速的估计和预测，对于进一步构建电池的状态监测和健康管理系统，有着重要意义。
关键词：电池储能；BMS系统设计；应用
引言比亚迪刀片电池
随着新能源发电发展，风、光发电并网比例逐步提高，新能源渗透率的不断提高及区域用电负荷的增加，导致部分变电站的主变容量无法满足新能源接入及负荷增长带来的容量需求，通常采取变电站扩建改造或配置储能电站两种方案进行解决。变电站扩建改造通过增设变压器来提高负荷承担能力。然而负荷发展较缓，变电站部分时段利用率较低;且随着新能源发电的接入，其波动性对电网造成一定影响，变电站扩建无法在根本上解决未来新能源接入带来的问题。
1储能项目介绍
BESS内部通信架构集成了高低压开关柜、变压器、PCS、电池汇流柜、BMS及其他辅助系统或传感器等，它们均承担着不同的功能，对外有着不同的通信接口与调度方式。淮阴电厂现有二期3号、4号，三期5号、6号机组为330MW亚临界燃煤机组。电厂利旧原一期主厂房磨煤机房半封闭空间（面积约1000m2）建成了10MW/5MWh蓄电池储能辅助AGC调频电站。电池采用磷酸铁锂电池，采用预制舱方式布置，储能调频电站包括2套5MW/2.5MWh的储能子系统（4个2.5MW/1.25MWh储能单元），每个储能单元包含2个额定容量1.25MW的储能系统交直流逆变器（PCS）和1个1250kWh的电池集装箱。每套储能电池组接入一台500kWPCS直流侧，每两台PCS交流侧并联接入双绕组升压变低压侧，经升压变升压后经6kV就地开关柜接入储能电站6kV母线，四段储能母线分别接入四台机6kV厂用电母线。正常运行时每组PCS、电池子系统输出功率2.5MW供四台机组调用；当储能电站侧母联闭合，每个子系统输出5MW供二、三期各一台机组调用；通过将#1、#2储能站环网柜电源在进线侧联络，结合环网柜方式调整，实现5MW储能功率分别供任意两台机组或10MW的储能功率供任意一台运行机组调频调用。电网调度远程发送AGC指令至电厂RTU，机组DCS接收RTU转发的AGC指令后，仍按常规流程响应AGC指令，同时将AGC指
令转发储能主控单元；储能系统主控单元根据接收到的AGC指令和机组出力等运行数据，经过算法，算出AGC指令和机组出力功率差，确定储能系统出力指令，并下发至储能系统本地控制器，各本地控制器将功率指令均分各储能子单元。
2电池储能BMS系统设计及应用
2.1锂离子电池
锂离子电池是指依靠锂离子在正极和负极之间来回移动实现电池充放电循环的二次电池。锂离子电池的历史最早可以追溯到１９５８年，锂金属被首次引入电池领域。随后在１９７０年，科学家发明了以锂金属为负极的锂电池。再到２０世纪８０年代，真正意义上的锂离子电池被成功开发，并于十年后被日本的索尼公司成功应用于便携式电子器件中。在之后的岁月中，锂离子电池一路高歌猛进，成为当前二次电池领域最为成功的电池体系。围绕锂离子电池，人们已经开发了多种电解质体系，研发了数目庞杂的正负极材料，同时也开发了许多基于不同电化学反应原理的锂离子电池体系。目前，锂离子储能电池基础研究主要聚焦在开发低成本、高性能正负极材料和安全可靠的电解质体系。在锂离子电池用于储能的集成示范方面，国内宁德时代新能源科技股份有限公司（以下简称“宁德时代”）、
比亚迪股份有限公司（以下简称“比亚迪”）和蔚来控股有限公司（以下简称“蔚来”）在过去的数年里取得了长足的发展。２０２１年，比亚迪推出了“刀片电池”，将磷酸铁锂体系的锂离子电池安全性大幅提高，同时系统能量密度也被提高到１５０Ｗｈ／ｋｇ以上。蔚来则推出了磷酸铁锂电芯与三元正极混合排布的双体系电池系统，该电池在低温下表现出较好的电化学性能。宁德时代已经在福建省晋江市布局了３６ＭＷ／１０８ＭＷｈ的储能电站，并在该地区调频与调峰应用方面获得了较好的验证。
2.2液流电池
液流电池（又称氧化还原液流电池）是一种在结构上显著区别于常规二次电池的电池系统，液流电池主要由两个电解液储存罐和一个含离子交换隔膜的反应池构成。两个电解液罐中的电解液分别含有不同元素的离子或相同元素不同价态的离子。工作时，机械泵将两种电解液输送到离子交换膜的两侧，此时两侧电解液中的离子因电极电势的差异发生电化学反应，并向外电路输送电子，充电时则正好相反。液流电池因为其特殊的结构使其在大规模储能领域中有着广泛的应用前景。由于正负极分别储存在两个独立的罐体中，液流电池不易发生自放电；此外，液流电池在服役中不会在电极表面产生金属枝晶，因此其不会
发生电池短路的危险；另一方面，由于电解液罐体和反应池各自独立，液流电池可以根据地理环境或服役要求灵活分布，具备较高的适用性。目前，液流电池主要分为全钒液流电池、锂离子液流电池、铅酸液流电池、锌镍液流电池、锌溴液流电池、锌碘液流电池、铁铬液流电池、锌锰液流电池、钛锰液流电池等多个体系。然而，无论电极活性物质如何变化，离子交换膜都十分关键。开发成本低、寿命长、内阻小、离子选择性好、电化学性能优异的离子交换膜依然是该领域亟须突破的重点和难点。在产业化放大方面，国内已实现了１０ＭＷ／４０ＭＷｈ级别全钒液流储能电池的正常运行；近年来正在加紧开展１００ＭＷ／２００ＭＷｈ以上级别全钒液流储能电池的基础建设，部分地区已开始了该级单体模块的调试工作。
2.3液态金属电池
液态金属电池的技术原型可追溯到２０世纪２０年代美国铝业公司为实现高纯铝制备而提出的三层液电解精炼铝法。随后的数十年，这一技术被拓宽为液态金属电池技术。当前研究者们讨论更多的液态金属电池主要是由麻省理工学院Ｄ．Ｒ．Ｓａｄｏｗａｙ教授所研究的液态金属电池，其主要包括两种液态金属电极和熔盐电解质，三者之间由于密度差实
现分层，并因为两种金属之间的电势差实现电池放电。构成液态金属电池的正、负极金属材料需具备诸如倍率性能好、成本低、循环寿命长等优势。然而，由于液蚀、热辐射等问题突出。此外，当前液态金属电池普遍存在放电平台较低、单体能量密度较低、高自放电和运动敏感性等挑战。近年来，液态金属电池在基础研究和产业化实践方面均比较活跃。国内华中科技大学蒋凯教授团队、西安交通大学宁晓辉教授、北京科技大学赵海雷教授、武汉大学尹华意教授、东北大学石忠宁教授团队等以及国外Ｄ．Ｒ．Ｓａｄｏｗａｙ教授团队、郭再萍教授团队、日本大内隆成等在近５年有新的研究成果报道。上述基础研究的焦点大多集中在液态金属电池新体系（包括电解质、电极材料）的开发以及揭示其中的反应机理等。国内由华中科技大学牵头实现了５ｋＷ／１８ｋＷｈ的液态金属电池储能系统的开发，为液态金属电池在储能领域的发展提供了必要的技术支撑和工业借鉴。态金属电池普遍运行温度较高，高温熔盐导致的腐。
2.4钠离子电池
钠离子电池工作原理类似于锂离子电池，但钠离子电池发展历史较短，是一种新型电化学电源，其技术成熟度、能量密度等均与锂离子电池有着较大的差距。然而，钠离子电池因
为地球上钠元素丰富、开采成本低、电池倍率性能较好和循环效率较高等优点得到了迅速发展。目前，关于钠离子电池的基础研究依然集中在正极材料、负极材料以及电解质体系开发三个方面。正极材料方面，当前研究较多的主要有层状过渡金属氧化物、聚阴离子类化合物和普鲁士蓝三类。三种材料各有优缺点，层状过渡金属氧化物比容量较高（约１９０ｍＡｈ／ｇ），但是放电平台较低（通常＜３．３Ｖ）；聚阴离子类化合物放电平台较高（约３．７Ｖ），但可逆放电比容量较低（约１２０ｍＡｈ／ｇ）；普鲁士蓝在放电平台和放电比容量方面均介于前面这两种材料之间。但相对其他正极材料，上述三类正极材料综合电化学性能、成本等均占据优势，具备较大的发展前景。相对于正极材料，负极材料研究较少，主要涉及硬碳、无定形碳基材料、合金材料、钛基材料等，其中硬碳材料是目前最接近商业化应用的负极材料。由于反应机制类似，钠离子电池的电解质设计策略也类似于锂离子电池，主要为有机溶剂中加入含钠的盐类及其他添加剂。
3火储联合调频系统的应用展望
作为解决新能源发电系统波动性、间歇性以及不可预测的天气因素等问题的有效手段，电池储能系统（BESS）逐渐呈现出大规模集成与分布式并存、多目标协同优化的趋势，传统
的通信控制技术与算法在面对模型高度非线性、参数时变的BESS时，效果并不理想。而物联网、神经网络及区块链技术，则为这些问题的有效解决提供了新的方向，也进一步提升了BESS的性能，拓展了新的应用领域。物联网是信息技术发展到一定阶段后出现的一种应用与技术提升，实现人与物的对话，创造智慧的世界，被称为信息科技产业的第三次革命。2005年国际电信联盟在突尼斯举行的信息社会世界峰会上正式确定了物联网的概念。目前，我们正站在一个新的通信时代的边缘，信息与通信技术的目标已经从满足人与人之间的沟通，发展到人与物、物与物之间的连接，无所不在的物联网通信时代即将来临，物联网使我们在信息与通信技术的世界里获得新的沟通维度，将任何时间、任何地点连接到任何人扩展到连接任何物品，万物的连接就形成了物联网。目前的BESS主要由储能单元以及监控与调度管理单元组成，在新能源系统中同时存在多个储能单元时，不同储能单元之间存在难以协调的问题，而且数量庞大的储能系统增加了系统出现故障的概率。物联网作为获取数据的入口，可以利用云计算、边缘计算以及人工智能等技术分析手段，对储能系统进行管理，以克服大规模BESS中存在的问题。如图3所示，利用电压、电流以及温度等传感器来采集电池储能单元的运行数据，通过无线局域网、工控总线、GPRS、互联网实现实时数据的现场收集与传输，建立BESS相关信息数据存储中心与综合控制系统，构建基
于BESS工作状态数据的趋势预测模型以及基于故障率的可靠性模型，通过这些模型对BESS的状态进行实时监测，为BESS的运营管理提供了科学的依据。
结语
综上所述，基于分子结构修饰、复合导电碳、纳米尺寸优化、电极-电解液耦合与制备工艺优化等策略，有机电极材料已经在一定程度上获得了可观的电化学性能提升，低放电电位、高溶解度、低电导率、反应动力学等问题得到了显著改善，但距离走向实际应用的目标仍有一定的差距。笔者相信，随着各国研究者对有机电极材料的持续研究与发展，有机电极材料必将在二次储能电池领域获得更加迅速的进步，走向实际应用以及实现商业化应用。