完整的BMS与ESS解决方案

完整的BMS与ESS解决方案

目前有越来越多的电池供电应用,特别是电动汽车(EV)和便携式设备,如智能手机、平板电脑和电动工具,全球对电池的需求不断增加,相对的,对于电池的管理与能量储存的需求也更为殷切。本文将为您介绍电池管理系统(BMS)与储能系统(ESS),以及相关的解决方案。

BMS提升电池系统的运作效益

所有采用电池供电的设备,都需要管理电池的充放电过程,依据电池数量、容量、功率的不同,必须采用不同的电池管理系统。所谓的电池管理系统是指可监控和调节电池的充电和放电的电子控制电路,要监控的电池特性还包括检测电池类型、电压、温度、容量、充电状态、功耗、剩余工作时间、充电周期,以及其他更多的特性。

电池管理系统的任务是确保电池中剩余能量的最佳利用,为了避免给电池带来负载,BMS系统保护电池免于深度放电和过压,这些都是极快充电和极高放电电流的结果。在多节电池的情况下,电池管理系统还提供了电池平衡功能,以管理不同的电池,使其具有相同的充放电需求。

以英飞凌(Infineon)提供的解决方案为例,英飞凌的芯片和设计可帮助客户布局电池管理系统,并对电池保护和电池监控充电和放电过程的设计考虑,在整个设计过程中提供支持,提供不同的产品、仿真工具与参考设计,可帮助客户克服设计挑战,开发出更高效、更持久和更可靠的电池供电应用。

英飞凌可根据客户的应用限制,检查电池管理系统的不同系统架构,以找到英飞凌的支持产品系列,像是多模块、高压电池,或是单模块、中压电池(60V以上),以及单模块、低电压电池(低于60V)等各种不同的解决方案。

英飞凌的BMS解决方案可以针对电池/电池组的参数检测、效能评估、保护、开关、电池优化、通信、数据与事件纪录等进行管理。此外,英飞凌还提供电池充电系统、电池状态检测、控制与通信、电流与隔离检测、高压开关、电源管理芯片(PMIC)、热量控制与管理、跨模块无线连接等解决方案,为电池管理系统提供全方位的解决方案。

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ESS是再生能源应用重要的组成部分

数十年来,储能一直是发电、输电、配电和消费不可或缺的组成部分。如今,随着可再生能源发电量的不断增长,电力格局正在发生巨大变化。储能系统提供了广泛的技术方法来管理我们的电力供需状况,创建更具弹性的能源基础设施,并为公用事业和消费者节省成本。

电池型储能系统技术可利用配置的太阳能或风能设施提供清洁能源,可对停电情况瞬间作出回应,在安装于电表前端的情况下,储能系统以“散装”方式储存能量,并与再生能源产生或传输和分配系统结合使用,在住宅和商业情形中,储能系统则以电表后端模式发挥作用。

储能系统主要由两个部分构成,包括功率转换系统(PCS)可进行交流/直流和直流/交流转换、电能进入电池、对电池进行充电,或将电池储存的能量转换为交流电,再输回电网。合适的电力装置解决方案取决于所支持的电压和功率流情况。

另外还需搭配前述的电池管理系统,具有电池充电、平衡和健康度监测功能,并配有微处理器,负责系统控制和通信。该系统提供的基本组件能够将储能系统(ESS)集成至较大型的系统。

英飞凌在能源生产、传输、功率转换和电池管理方面拥有独一无二的丰富经验,在效率、创新、性能和最优成本方面绝对是推动储能解决方案的优选合作伙伴。英飞凌的产品包括分立式OptiMOS™、CoolMOS™、CoolSiC™ MOSFET和IGBT模块、以及高度集成式3级Easy 1B/2B模块、功能集成式EiceDRIVER™栅极驱动器IC、XMC™控制器和安全解决方案,是各种储能系统设计中的优选产品。

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SiC DC/DC变换器提升运作效率

在储能系统中,通常采用两种结构,分别为最大功率点追踪(Maximum power point tracking, MPPT)结合双向升/降压变换器(Buck boost)与储能变流器(PCS),以及MPPT结合DC/DC变换器与PCS所组成,两者的区别为双向Buck boost后端连接高压电池,双向DC/DC转换器后端则连接低压电池。

以双向DC/DC变换器为例,DC/DC变换器是以双象限运行,它的输入、输出电压极性不变,输入、输出电流的方向则可以改变。双向DC/DC变换器实现了能量的双向传输,在功能上相当于2个单相DC/DC变换器,是典型的“一机两用”设备。一般来说,双向DC/DC变换器可分为隔离式和非隔离式两种,其中隔离式双向DC/DC变换器应用较多,电路拓扑有多种变换形式。隔离式双向DC/DC变换器电路拓扑种类繁多,各具特色,可以分为全桥电路、半桥电路、推挽电路的不同组合,或他们的变形电路的不同组合。

全桥式电路的特点是由四只相同的开关管接成电桥结构,驱动脉冲变压器原边,其优点在于原边绕组减少,开关管耐压也同步减小,缺点也相对明显,便是使用的开关管数量多,且要求参数一致性要好。半桥式电路类似于全桥式,只是把其中的两只开关管换成了两个等值大电容。

推挽式电路拓扑结构的特点是对称性结构,脉冲变压器原边是两个对称线圈,两只开关管接成对称关系,轮流通断,工作过程类似于线性放大电路中的乙类推挽功率放大器。

目前光伏储能部分的双向DC/DC变换器,采用的多为变换电路的拓扑,多为CLLC和移相全桥。目前的DC/DC部分的功率器件的设计多采用IGBT,开关频率控制在20K左右,其中,如何提高开关频率以及降低损耗,已经成为困扰硬件工程师很久的问题。现今艾睿电子联合芯片厂商开发了纯SiC(碳化硅)方案的DC/DC部分设计,已经可以做到开关频率达到200K,效率可以达到96%,值得有需求的厂商参考。

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母线提升配电的效益与安全性

在储能系统的电力传输方面,母线(Busbar)是指在输配电系统中,配电盘、配电箱、变电站等使用的导电的铜线或铝线,用以连接同一电压的线路。在这个领域中,Amphenol IPC是储能系统电力技术的全球领导者之一,拥有行业领先的工程、设计和制造专业知识。

Amphenol IPC的母线是定制设计的,以满足或超出客户所需的规格。Amphenol IPC在广泛的应用、材料和工艺方面拥有专业知识,可确保客户拥有正确的解决方案。

配电母线应用主要是中低直流电压,电感通常不重要,其类型包括铝、铜、层压、印刷电路板、柔性铝材、软铜等,电源转换母线主要设计用于中高交流电压、低电感应用,其类型包括高温层压、标准层压、堆叠、智能层压等。

在母线与金属线的比较上,母线更便宜,尤其是大批量更具有优势,其经过改进的组装、处理、测试,可提高可靠性、减少维护,并具有改进的电气和机械性能(尤其是封装),以及改进的热管理,是储能系统应用的电力传输最佳选择。

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PowerLug提高布线的安全性与便利性

在母线的连接方面,连接器也扮演着重要的角色,其中可使用PowerLug来重新设计PDU(Power Distribution Unit,电源分配器)的电源布线,PowerLug是新的储能连接器,是可用于储能设备前后方连接的可插拔解决方案,可将16个压接连接和6个螺栓连接,减少到只需4个PowerLug,且其工作温度可下降20℃。

Phoenix Contact推出的PowerLug连接器,可使您再也不用拧螺丝了,使用PowerLug连接器的电池连接现在可以直接插拔,用于母线连接和电池连接器的连接器,使您可以快速、安全且经济高效地为高达1,500 V的应用安装储能系统,由于采用可插拔接口,接线工作量减少75%,可快速进行安装,即使不插入时也能提供全面的触摸保护,可进行安全安装和维护,插入过程中具有清晰的反馈,可确保最高程度的安全耐用的连接。

设备和PowerLug电缆连接器具有极性反转保护功能,非常适用于储能系统,连接器采用可旋转设计、触摸保护和机械编码,在连接电池端子时提供最大的灵活性和安全性,可以进行360°旋转,非常适合灵活的电缆框架,电池连接通过机械编码可防止极性反转,不会发生插入错误,即使在未插入时,也可防接触到电池端子,使安装更为安全。

PowerLug具有多种颜色版本,便于识别电池极,其灵活的安装方式,得益于不同的设备连接技术,模块化设计允许应用于不同的电流,应用领域更多样,带集成接口的插入式系统,在安装过程中无需进行布线,PowerLug为在存储系统中使用而优化的特殊连接技术,对于能够安全、可靠和高效地连接这些存储系统是必要的。

结语

BMS与ESS是当前热门的电池应用系统,搭配SiC DC/DC转换器、母线与PowerLug连接器,将可提升电池应用的电力系统效率与安全性,本文中介绍的各种解决方案,将值得您在开发相关应用时进一步了解与参考。