高壓電池系統分散式管理技術簡介

 

刊登日期:2018/7/5
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電池管理系統(BMS)可對電池進行管理,以避免操作中發生電池過度充/放電等異常事件造成電池系統失效,已廣泛地應用在各類電動車、不斷電系統以及儲能裝置。

本文將從以下大綱,介紹一種專為高壓高能量電池系統所開發之分散式電池管理系統(DBMS)技術,解決現有集中式電池管理系統架構的缺點。DBMS的特點在於每個單元電池組除了具備電壓與溫度量測訊號採集功能,還具備完整BMS之電池資訊監控的演算法與資訊保存功能,相當於每個單元電池組都自帶健保卡的概念。
‧分散式電池管理系統之技術優勢
‧分散式電池管理系統架構簡介
 1. 主動系統板(BMS Host)
 2. 電流量測與電量積分單元(SCCU)
 3. 單元電池管理單元(BMU)
‧分散式管理架構之保護偵測
‧單元電池組之管理系統通訊簡介
 1. 通訊匯流排之定義
 2. SCCU與BMU的量測採樣週期與通訊週期
 3. SCCU的通訊內容
 4. BMU的通訊方式與內容
 5. 電壓、溫度、電流等保護通訊週期與內容
‧實際測試

【內文精選】
電池管理系統(Battery Management System; BMS)主要負責電池組在正常的操作區間內工作,並負責監控電池電壓、溫度等重要訊號與預估電池資訊等功能。所有鋰電池產品均配備BMS保護電路,而電動車、電動巴士、大型儲能系統等高壓高能量的電池系統所配置的BMS其複雜度與安全要求更高,因此技術門檻也高。

目前大多數高壓高能量電池組的機構設計,是先將電芯並聯以達到設計容量後,再進行串接形成一個多串並的單元電池組。一般來說,一個單元電池組串接數量在3~32串、能量約在1~10 kWh。圖一採用80串的高壓電池系統(High-voltage Battery System)為例,說明目前市售常見的高能量高壓電池系統常用的集中式管理架構。集中式電池管理是一種分散量測、集中運算的設計架構,而此類架構最大的問題有幾個:①隨著系統中電池組的數量增多,從控電路回報的資料量也隨之增加,主控電路無法計算所有串電芯的細部電池資料;②若主控系統僅保有特定串電芯資料,當更換部分電池組時,則需耗費相當的時間與資源來了解電池整個系統的現況,才能挑選與現有系統匹配的單元電池組,因此系統在保養與維護上相當耗時費力;③當電池數量越多或傳遞資訊越多時,整個通訊網路上的負荷就越大,資料碰撞與丟失的機率就會大幅上升,甚至造成整個通訊網路的崩潰,而使整體可靠度與安全性大幅降低。

除了上述面臨的BMS電控問題之外,從維修與保養的角度來分析單元電池組的機構設計,也有以下幾點值得特別提出討論。2017年底的電芯報價大約為USD 200~350/kWh,所以若一個單元電池組的組成為10 kWh,則單元電池組的價格粗估約新台幣10~20萬元,且重量超過100 kg。因此只要涉及維修、保養、汰役再利用等需要拆換時,就必須依賴有吊車的環境作業,且無法一人獨立完成,拆卸後維修與重新匹配都耗時耗力。

分散式電池管理系統之技術優勢
本文介紹之分散式電池管理系統(Distributed Battery Management System; DBMS)技術主要適用於多電池串接至高壓的電池系統,此架構與目前的集中式管理系統架構相似,但核心差異在於從控板設計,除了集中式架構原本的電壓與溫度量測功能外,還需要估算串電芯的細部資訊(殘電量、劣化容量、全充容量等),並將各串電池資訊保存於所屬的單元電池組的從控板。因此,在分散式管理架構中,此從控板命名為電池單元管理板(Battery Management Unit; BMU)。

採用分散量測、分散管理的優點為:①所有串電芯資訊均可在所屬單元電池組的從控板運算,因此可降低系統主控板的運算量、通訊網路上的傳輸負荷;②所有保護功能判讀也都在從控板完成,因此可大幅提升系統的安全性與可靠度;③各串電芯資訊可保存於所屬之單元電池組的從控板,便於維護、管理與調度,精確掌握電池組的狀態,實現電池系統快速檢修、維護,並提升電池系統整體壽命。表一進一步整理了現有集中式與分散式兩種管理架構的異同處。

分散式電池管理系統架構簡介
圖二為整個分散式電池管理系統的架構方塊圖,其關鍵組件包括BMU、電流電量偵測電路(Shunt & Coulomb Counting Unit; SCCU)以及電池管理系統主控板(BMS或BMS Host),其中高壓量測與漏電絕緣偵測電路可內建在BMS電路中,或是一個獨立的專屬模組。仔細觀察不難發現與集中式管理架構極為相似,但分散式架構具備單元電池組的BMU可以執行所有BMS的各種電芯資訊估測功能。為此,負責電流與電量偵測的電路單元(SCCU)將採樣電池系統的充/放電電流值,並與時間進行積分運算後取得系統的充/放電電量值,再將電流與電量資訊經由隔離的通訊匯流排(一般車輛上目前以CAN Bus為主流)以廣播方式(Broadcast)發送給所有Bus上的BMU與Host主控板。如此實現每個單元電池模組均有完整電壓、溫度、電流、電量的運算所需資訊,就可在BMU的控制晶片中加入各種電池監控的邏輯與估測演算法,例如常用的電池資訊如殘電量、劣化容量、內阻以及健康狀態、平衡控制等都可在BMU內估算。

圖二、分散式電池管理系統的架構規劃
圖二、分散式電池管理系統的架構規劃

實際測試
圖八是使用25個7S1P的18650單元電池組串接成高壓電池系統的測試照片,而對應這25個BMU的監控頁面則如圖九所示。在串接25個7串24 V的電池系統時,需要特別注意絕緣與靜電等防護。從圖九的頁面可以看出所有BMU回報之電壓、溫度、保護狀態,此系統刻意製造保護發生之條件以觀察保護運作是否正常,其中BMU16、BMU18產生了Alarm警示(平衡壓差到達警戒值),而BMU24則產生了Protect警示(高壓警示)。

圖九 25個BMU電壓、溫度資訊監看圖
圖九、25個BMU電壓、溫度資訊監看圖

未來當BMS主控板開發完成後,上述之BMU與SCCU回報之資訊就由BMS統一接收,並由BMS監看所有CAN回報之訊息進行監控與管理。當然,整個系統除了上述現有的功能之外,後續還將擴充具有主動平衡的軟/硬體控制、殘電量估測等功能…...以上為部分節錄資料,完整內容請見下方附檔。

作者:陳麒化、周俊宏、孫建中/工研院材化所
★本文節錄自「工業材料雜誌」379期,更多資料請見下方附檔。


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