電池儲能系統的應用范圍如今越來越廣泛，但面臨的市場條件也日益苛刻。電池管理系統開發商Brill Power公司的技術專家對于如何設計和構建確保電池儲能系統更長壽命、多功能性和可用性的電池管理系統（BMS）進行了分析與探討。
電池儲能系統的運營和維護需要采用電池管理系統(BMS)，電池管理系統(BMS)是電子技術和軟件的結合，是電池儲能系統的大腦。本文主要關注電池儲能系統采用的電池管理系統(BMS)。電池管理系統(BMS)最基本的功能是確保電池保持均衡性和安全性，并將重要信息(如可用容量)傳遞給用戶或連接的電池儲能系統。
Brill Power公司正在開發和設計電池管理系統(BMS)硬件
保持均衡是必要的，因為電池儲能系統通常是由數百塊甚至是數千塊電池組成，每塊電池的容量和電阻都略有不同。隨著運行時間的推移，這些差異隨著每塊電池以不同的速率退化而增加。如果電池電壓不均衡，很快達到到電池無法使用的程度。
安全性是通過將電池保持在電壓、電流、溫度的安全操作范圍內來保證的，這對鋰離子電池來說尤其重要。如果電池過度充電，或在非常低的溫度下充電，或在過高的電流或溫度下充電，電池就有可能會出現故障，導致火災或爆炸。
而諸如可用容量和功率等參數無法直接測量，這意味著電池管理系統(BMS)必須進行計算，它基于對電壓、電流和溫度的測量進行計算得出的。這種計算被稱為狀態估計，其計算結果被傳遞到更高級別的系統，例如用戶界面。
在更詳細地了解電池管理系統(BMS)設計的考慮因素之前，有必要了解不同類型的電池管理系統(BMS)和行業需求，這些需求決定了設計的方式。平衡方法通常用于對電池管理系統(BMS)類型進行分類，盡管其他設計方面也扮演著重要的角色，例如狀態估計和信息流的不同方法。
電池狀態
電池有不同的尺寸，這直接關系到它們的容量。例如鋰離子電池通常是電池中尺寸最小的電池。鋰離子電池的最低電壓可低至2.5V(例如磷酸鐵鋰電池)，而最高電壓可高達4.3V（例如NMC三元鋰電池）。
電池可以并聯連接，以增加電池組的最大電流。并聯連接的或串聯連接的電池通常被稱為超級電池。
一般來說，并聯連接的超級電池的電壓可以自我平衡，沒有必要進一步管理。而例外情況可能包括像鋰硫電池這樣的新型電池，以及像磷酸鐵鋰電池這樣在極端充放電速率條件下運行的電荷與電壓曲線平坦狀態的電池。
串聯連接的超級電池將會提高電池組的電壓，這主要應用在高功率應用場景中。
在向電池組配置中添加電池時，儲能容量會增加。因此，向超級電池添加并聯的電池組將會增加電池組的儲能容量，就像將額外的超級電池串聯在一起一樣。
電池管理系統(BMS)硬件
平衡的方法
在充電過程結束后，被動平衡通過電阻器將能量（作為熱量）耗散，從而使電池的電壓一致，而這些能量本應進入充滿電的電池。采用這種方法的優點是電子元件成本低。其缺點是流經所有電池的電流都是一致的，這意味著串聯的電池組性能最差的電池會影響整個電池組的能量、功率、壽命和安全性。由于性能最差的電池的電流相對其更高，其退化速度將會加快，這也可能導致局部熱點，并導致電池組容量下降，甚至出現安全問題。此外，在充電過程中將會浪費電力。被動電池管理系統(BMS)只能監控電池組電流，并在發生故障時能夠通過斷路開關中斷電池組電流。
如果實現雙向信息流，系統級參數（如操作設置）可能會更改，以確定電池壽命或性能的優先級。而為了提高電池壽命需要以可用容量或功率為代價減少充放電操作，而提高性能則以減少電池壽命為代價增加充放電操作。
主動平衡通常通過低電流旁路實現，該電路將較低充電電流提供給尚未充滿電的電池，而不是將這些能量作為熱量耗散。這種方法的主要好處是提高充電效率，如果必須有效地利用可用的充電能量，這一點可能很重要。然而，對于大多數應用場景來說，主動平衡并不能證明組件的成本增加能夠帶來的好處。與被動平衡一樣，性能較差的電池較高的電流加速了電池退化，并可能形成熱點。
Brill Power公司開發一種新的電池控制和管理方法獲得專利
Brill Power公司是牛津大學分拆的一家公司。他們的研究發現，超級電池的電流需要按電池的自身狀況不斷調節。這確保了所有可用的能量被充分利用，并且不會減少電池組壽命，并且減緩性能較差的電池退化。
完全電流控制的安全好處包括通過減少高電阻電池上的電流來避免形成熱點，及時斷開電池連接及其出現任何可能的故障。這種方法還具有系統級電壓調節的好處，這使得電池能夠與直流電源(如太陽能發電設施、燃料電池和其他類型的電池)以及直流負載(如電動汽車充電器)直接集成。孤立地看，這種方法的組件成本高于被動平衡的電池管理系統(BMS)；但在系統層面來產，其成本低于被動平衡的電池管理系統(BMS)。
降低電池儲能系統成本的方法是給定的性能情況下減少電池尺寸，并避免采用額外的硬件（例如DC/DC轉換器或逆變器）。根據Brill Power公司的分析，通過延長電池壽命，可以使總擁有成本降低60%。
電池管理系統(BMS)技術的其他方法還包括級聯單元旁路和逆變器集成，但由于它們的適用性有限，在此不作進一步討論。
不同電池管理系統(BMS)類型的簡要說明
狀態估計
充電狀態（SoC）和健康狀況（SoH）的估計基于電池模型和估計算法的組合。狀態估計和電池底層模型可能達到的復雜度和準確性水平在很大程度上取決于硬件，在這里使用硬件來區分不同的方法。
集成電路（IC）用于大多數傳統電池管理系統(BMS)的狀態估計。集成電路是“硬連線”與特定的電池模型和狀態估計算法。集成電路的優點是成本低，缺點是系統設計的靈活性和準確性有限。而這些缺點往往會隨著時間的推移而變得更糟。設計的靈活性受到限制是因為集成電路通常是為具有特定規格的特定電池創建的。
如果電池種類或規格發生改變，集成電路（IC）也需要改變和設計適應。其測量精度有限和不斷退化的原因是：（1）集成電路的狀態估計是基于電池的一般化表示，沒有捕捉電池的細微熱力學和動力學特性，這些特性可能因電池制造商、規格和批次而有所不同，即使是采用相同的電解質；（2）集成電路有限的計算能力限制了狀態估計算法和底層電池模型的復雜性和保真度；（3）電池特性隨時間變化，而硬連線集成電路算法無法捕獲這些特性，導致隨著時間的推移越來越不準確。
而微處理器可以使用更復雜、更高保真的電池模型和狀態估計算法進行編程，這些模型和算法可以根據特定的電池特性和規格進行微調。通過更新狀態估計算法和電池模型的參數，可以適應不斷變化的電池特性，從而使電力輸出隨著時間的推移更加精確。這些硬件可用于任何類型的電池，從而實現終極設計靈活性。其缺點可能是組件成本較高，這取決于所需的功能和計算能力。
信息流
單向信息流在大多數電池儲能系統中很常見：參數信息從電池管理系統(BMS)流向更高級別的系統和用戶界面。如果電池制造商提供電池管理系統(BMS)，則可獲得的低級信息較少，因為這些信息可能被視為敏感信息。但最重要的信息是與安全和性能相關的信息，包括充電狀態（SoC）和健康狀況（SoH）等指標。
如果使用微控制器，電池管理系統(BMS)可以處理輸入參數，例如更改操作設置(例如最大和最小允許電池電壓或SoC，甚至更新電池模型或狀態估計算法，以保持其準確性，因此實現雙向信息流是可能的。
電池管理系統(BMS)的設計與開發
一旦確定了合適的電池管理系統(BMS)類型，就可以開始進行設計和開發。電池管理系統(BMS)設計中最重要的因素是團隊和專業知識。
傳統上，電池管理系統(BMS)設計一直是電氣工程師的技術領域，他們確實是設計電路的最佳人選，但通常不太了解電池的內部工作原理。而設計完美的電池管理系統(BMS)需要電化學、物理、電氣和電子工程、固件開發和數據科學方面的知識和技術。
有了合適的團隊，首先要考慮的是遵守法規和行業標準，因為這對硬件和軟件設計都有影響。一些法規和標準通常是特定于國家和地區的。
雖然大多數法規和標準適用于電池儲能系統，但有些法規適用于所有電子部件，包括有害物質法規，如歐洲的RoHS和REACH指令。相關行業標準主要依賴于應用場合和系統規范。其典型的區別是住宅和工業儲能，以及采用的是低電壓還是高電壓。
相關的工業儲能系統標準包括IEC62619、UL1973、UL9549和VDE-AR-E2510-50。產品和功能的安全是這些標準中最重要的方面。雖然電池管理系統(BMS)不需要作為獨立組件進行認證，但它不能阻止電池儲能系統獲得認證。因此，建議由獨立的測試和認證機構(如DNV)對未來的標準符合性進行測試和評估。
