原文链接：电池储能系统(BESS)能源管理策略与健康评估的深度融合

摘要 - 为了减轻早期的电池退化，已经设计了电池管理系统（BMS），以提高电池寿命并确保在安全操作条件下正常运行。一些BMS能够确定精确的状态估计，以确保电池安全运行并减少危险。通过评估几个指标来计算电池健康状况的精确估计，并且是有效电池管理系统的核心因素。在这种情况下，在BMS的框架内，准确估计电池的健康指标（HI）变得更加重要。本文对电池管理系统和BESS的不同健康指标进行了全面的回顾和讨论，并根据关键特征进行了适当的分类。

1.引言

电动汽车与电池管理系统：电动汽车的发展使得电池不仅用于驱动车辆，还可能与电网双向连接进行充电或放电以提供电网服务，在这些情况下，电池管理系统（BMS）对于确保用户和电网的可靠安全运行至关重要。

电池管理系统与健康指标：电动汽车中使用的电池管理系统在生命周期中经历多次充放电循环，随着老化，性能退化，可靠性受到质疑。通过估算电池健康指标和健康状态（SOH）可以衡量老化机制，因此SOH估算至关重要，其他健康指标（HI）用于确定电池退化。

电池技术与相关研究：电池技术由于电池管理系统的创新材料和方法而迅速发展，关于HI和状态估计的研究不断增加。现有对BMS的综述存在一些不足，仅从电池平衡和有限状态估计（如SOH和SOC）的角度涵盖BMS的功能，未涵盖一些新的方法（如数字孪生和云计算），且对状态估计的方法提及有限。

图1.近年来BMS和电池健康监测的研究进展。

研究空白与目标：关于电池类型和性能比较的研究很多，但大多局限于传统和锂离子电池，对新兴电池技术与传统技术的比较较少。BMS的功能也在不断发展，需要重新审视其综合功能和最新趋势以提供全面的综述。对HI的系统分类和图形描述的综述稀缺，本文将填补这一空白，全面回顾BMS的架构，对HI进行分类并提供图形描述，具体目标包括全面回顾电池特性（重点是锂基电池）、BMS功能和最新趋势，以及对HI进行简化分类。

文章结构：文章第2节涵盖不同的BESS技术及其特点、优势和局限性，第3节全面回顾BMS功能，第4节列出所有关键HI并基于估计方法进行分类，第5节为结论。

2.BESS分类和特点

BESS概述：具有充电能力的储能设备广泛应用于从高吞吐量电网到便携式低功率设备等领域，因为它们克服了可再生能源间歇性的问题并能长期重复使用。天气、季节和一天中的时间变化决定了风能和太阳能农场的电力输出，随着可再生能源在提供碳中性电力方面变得具有成本效益，可充电电池的部署也越来越广泛。当产生多余电力时，这些电池被充电，在没有多余电力且连接到负载时，它们由充电系统供电时放电。然而，对于电动汽车、移动电话和无人机等便携式应用，设备需要停止运行并连接到充电系统。电池在反复充电和放电过程中会逐渐退化，温度波动、充电时长过度变化、深度放电和部分循环而未完全充电会加速退化。

锂电池研究：锂电池研究始于1912年，远早于1976年锂离子电池开始突出。当时，最初的锂金属电池（LMBs）使用金属锂阳极和非水电解质，导致比能量和能量密度大幅提高。1976年Whittingham开发出嵌入材料后，可充电LMBs的研究和开发变得流行。可充电LMBs工作电位低、比容量高，尽管安全问题阻碍了其商业化，但使其成为电动汽车推进的候选者。不同锂基电池的特点在图2中进行了总结，包括各自的优缺点。

图2.锂金属氧化物的不同类型和关键特性。

电池退化研究：针对频率遏制储备、增加自我消费和峰值功率削减这三个应用进行了特定应用的电池退化研究，表明电池退化影响了大多数峰值功率削减应用。通过生命周期浴缸曲线研究了BESS的组件可靠性，得出DC链路电容器是BESS组件中失败几率最高的。锂离子电池的故障模式被分类和研究，包括阳极退化、阴极故障、隔膜故障和集流体故障等。关于退化模式对锂离子电池整体可靠性的贡献，活性阳极和阴极材料的损失导致总容量和功率衰减的近50%，包括锂库存损失后，这一贡献增加到70%。还表明固体 - 电解质界面的快速增长和石墨的较少剥落对锂离子电池的可靠性和安全性有重要贡献。

BESS特点与应用：BESS的广泛特性满足了各种应用的不同需求，这使得某些类型的电池适合特定应用，而其他电池在其他应用类型中表现更好。因此，需要为电池特定管理定制BMS的阈值、充电曲线、估计算法、计算指标等。接下来的部分将对BMS的功能和架构进行综述，以实现智能电池管理。

3.电池管理系统(BMS)总结

BMS概述：BMS是一个电子设备，作为电池组和负载/充电器的接口，主要负责提高电池性能、确保电池安全运行和延长电池寿命，是一个包括硬件和软件模块的集成系统。

图3.电池管理系统。

BMS功能

测量功能：通过传感器获取输入的电池电压、电池底盘温度和线路电流信号，并使用模数转换器（ADC）进行数字化，然后对电压、电流和温度值进行采样、数字化、缩放和存储，最后形成时间序列数据并提取指标和趋势。

保护功能：BMS是电池抵御极端运行场景的第一道防线，防止电池过充、过放、过热等情况，监测系统故障和电池组中的死电池，并在出现故障和损坏时通过视觉警报和显示单元指示特定异常。

计算功能：包括电荷管理、电池电压平衡、电池状态估计和冷却控制等，通过监测HI和估计电池状态（如SOC、SOH、SOP、SOE、SOF、SOS等）来维持电池的高性能，根据电压和电流测量功能将充电模式从恒流切换到恒压，同时注意电池电气参数差异可能导致的内部电路环路问题，确保每个电池的电压平衡和电荷平衡。

通信功能：BMS通常配备串行、控制器局域网（CAN）、分布式网络协议（DNP3）和USB端口等通信端口与主机计算机连接，新的BMS可能还具有蓝牙、WiFi等无线通信能力，与BMS的通信可能用于诊断、数据下载和系统更新。

BMS架构和实现

数据采集：BMS的数据采集模块以高于奈奎斯特率的速率对电气和温度信号进行采样，事件驱动的ADC（EDADCs）基于事件驱动传感（EDS）动态修改采样频率以降低内存需求和功耗，提高系统效率和后处理速度。

架构示例：一种适用于电动汽车的电池管理主 - 次架构被提出，包括集中式、分布式和模块化拓扑结构，集中式BMS成本效益更高但扩展性最差，分布式BMS最昂贵但易于组装，还介绍了一个使用0.18μm高压双极CMOS DMOS技术制造的电池管理集成电路（BMIC）的测试情况，以及一种全面的BMS框架，包括主保险丝、充电系统单元、平衡控制模块、通信模块、内部电源模块、通用数字输出、电压和电流测量单元、温度控制单元、全局时钟模块、通用模拟和数字输入等。

功能实现：BMS的功能包括温度调节、电池充电平衡、过压、过流和过充保护、电池退化评估和使用时间预测等，如热管理、高压保护、CAN总线通信、电池平衡（被动和主动平衡方法）、SOC、SOH和SOP估计、过电压保护、热保护、电池状态估计和故障检测、性能管理、接口操作等，还提到了基于数字双胞胎的AI驱动的网络物理平台用于在线大规模故障检测，以及使用相位变化材料（PCMs）和液体冷却来优化冷却剂流量和增强冷却效果，考虑了传感器故障、内部/外部短路故障、电池热管理系统故障、过充/过放故障和执行器故障等。

未来趋势：未来BMS的趋势包括提高准确性、满足实时需求、考虑车网（V2G）技术和新兴技术（如5G、大数据和云计算）、增加BMS带宽、进行漏洞研究和缓解网络攻击、应用于无人机、使用区块链、云计算、人工智能和数字双胞胎等，还包括实现电池组的重构、经济运行和安全保障等功能，如参与电网的一次和二次控制、参与能源套利、优化可再生能源供应以满足日常负载需求曲线、响应需求响应计划、通过最小化停电来提高电网弹性、将生命周期运行和存储成本作为优化目标、扩展电池寿命和提高电网功率质量、满足供应峰值功率需求、负载跟踪、提高稳定性、功率质量、并行操作和满足可再生能源间歇性等。

BMS与电池寿命：计算电池的HI和状态为健康运行和延长电池寿命提供了重要指标，选择要计算的HI和要估计的不同状态推动了BMS的创新路径。总之，BMS在电池管理中起着至关重要的作用，其功能和架构不断发展以满足各种应用的需求。

4.BESS健康指标(HI)

HI概述：健康指标（HI）是用于量化电池退化的参数，用于估计电池的健康状态（SOH），包括容量、内阻和自放电等，通过电压、电流和温度等基本参数确定，以确定电化学过程的性能并估计SOH。简单的HI如开路电压（OCV）和瞬时温度用于便携式设备，而复杂的HI则更适用于电动汽车和电网支持应用。

HI分类：主要分为测量的HI和计算的HI，测量的HI包括基于电压和电流的HI以及基于温度的HI。基于电压和电流的测量HI包括CCCT（恒定电流充电时间）、CVCT（恒定电压充电时间）、TECD（等电流下降时间）、TEVR（等电压上升时间）、VRET（等时间电压上升）、CDET（等时间电流下降）、CCDT（恒定电流放电时间）、VDET（等时间电压下降）、TEVD（等电压下降时间）；基于电压和电流的计算HI包括RCCCV（恒定电流与恒定电压之比）、SCC（充电电流斜率）、SCV（充电电压斜率）、SDV（放电电压斜率）。基于温度的测量HI包括HCCCT（最高恒定电流充电温度）、LCCCT（最低恒定电流充电温度）、HCT（最高充电温度）、LCT（最低充电温度）、HT（最高温度）、LT（最低温度）、TETR（等温度上升时间）、TRET（等时间温度上升）、HCVCT（最高恒定电压充电温度）、LCVCT（最低恒定电压充电温度）、HDT（最高放电温度）、LDT（最低放电温度）；基于温度的计算HI包括SDT（放电温度斜率）、MDT（平均放电温度）、MCT（平均充电温度）、MCCCT（平均恒定电流充电温度）、MT（平均温度）、MCVCT（平均恒定电压充电温度）。

图4.健康指标分类。

图5.基于电压和电流的HI。

其他HI：还包括由电压和电流信号组合积分得到的计算HI，如ACCCV（恒定电流充电电压下的面积）、ACCCC（恒定电流充电电流下的面积）、ACV（充电电压下的面积）、ACC（充电电流下的面积）、ADV和ACDV（放电电压和恒定电流放电电压下的面积）、ADC和ACDC（放电电流和恒定电流放电电流下的面积）、ACVCV（恒定电压充电电压下的面积）、ACVCC（恒定电压充电电流下的面积）；由温度积分得到的计算HI，如ACCCT（恒定电流充电温度下的面积）、ACT（充电温度下的面积）、ADT和ACDT（放电温度和恒定电流放电温度下的面积）、ACVCT（恒定电压充电温度下的面积）。此外，还有CCCT、CVCT和固定段（FST）组合的增强HI，以及新的HI持续等充电电压差（DECVD）。

图6.基于温度的HI。

图7.基于HI的电压和电流积分。

图8.基于HI的温度积分。

HI应用：增量容量分析（ICA）也是估计电池SOH的有效HI。根据HI的变化趋势和计算便利性，可深入了解其在实际应用中的应用和可用性，HI的可用性取决于电池老化时的变化，根据HI计算的电池健康恶化情况控制充电和放电模式可提高BESS的运行可靠性和寿命，表1展示了HI随电池循环的变化，表明在电池后期寿命中变化更多的HI在跟踪电池健康方面特别有用。

表1.HI随电池退化而变化。

5.总结

本文主要内容：

1. 回顾了电池技术，重点关注锂离子BESSs。
2. 全面回顾了电池管理系统（BMSs）及其功能。
3. 对健康指标（HI）进行了回顾和分类，HI是BESS BMSs提供的功能之一。
4. 对电池特性（包括性能和容量）进行了广泛回顾，并比较了典型电池的细胞级操作参数。
5. 讨论了为特定负载应用选择电池时需考虑的具体特性，以及近期开发的锂金属电池的优势和局限性。
6. 展示了BMS功能和HI与不同应用的关系（如表2所示），不同应用所需的BMS功能取决于可用的计算资源、关键性和保护要求，计算的HI也根据应用需求进行选择。

表2.常见应用的 BMS 和 HI 要求

BMS与电池发展：先进电池的发展促进了BMS的创新，计算HI和不同电池状态的需求驱动了计算要求，最终影响剩余使用寿命（RUL）的估计。

HI分类与分析：本文详细强调了BMS的功能组件和架构，HI是BMS的模块之一，根据不同类别和方法进行了回顾，HI的分类基于测量和计算，并根据所研究电池的相关现象进一步细分。鉴于本文对BMS和HI的广泛分类，分析了主要技术的趋势和准确性性能。