Hệ thống lưu trữ năng lượng công nghiệp và thương mại bao gồm hệ thống pin (bao gồm BMS), EMS, PCS, điều hòa không khí, hệ thống phòng cháy chữa cháy, hệ thống giám sát và báo động, v.v., trong đó BMS và EMS, với vai trò là đơn vị điều khiển cốt lõi của hệ thống lưu trữ năng lượng, chịu trách nhiệm quan trọng về quản lý pin và quản lý năng lượng, và chức năng, hiệu suất cũng như sự phù hợp giữa phần mềm và phần cứng của chúng có liên quan trực tiếp đến sự an toàn khi ứng dụng hệ thống lưu trữ năng lượng và lợi nhuận đầu tư.
Hệ thống quản lý pin (BMS)Đảm nhiệm chức năng cảm biến trong hệ thống, nó có thể giám sát và điều khiển hệ thống lưu trữ pin để đảm bảo an toàn, ổn định và hiệu suất hoạt động.
Hệ thống quản lý năng lượng (EMS): Chịu trách nhiệm đưa ra quyết định trong hệ thống, thuật ngữ này thường đề cập đến hệ thống quản lý năng lượng tích hợp điều tiết và kiểm soát được triển khai cho các trạm điện lưu trữ năng lượng pin lithium, thực hiện giám sát và chẩn đoán theo thời gian thực.
Hệ thống chuyển đổi điện năng (PCS)Chịu trách nhiệm thực thi trong hệ thống, là một phần quan trọng của nhà máy lưu trữ năng lượng, điều khiển quá trình sạc và xả pin cũng như thực hiện chuyển đổi AC/DC để cung cấp điện trực tiếp cho các tải AC khi không có lưới điện.
Hệ thống quản lý pin (BMS)
Tên đầy đủ của BMS là Battery Management System (Hệ thống quản lý pin), có nghĩa là hệ thống con được sử dụng để quản lý hệ thống lưu trữ năng lượng pin.
Chức năng
Hệ thống quản lý pin (BMS) chủ yếu bao gồm mô-đun giám sát, mô-đun điều khiển, mô-đun truyền thông và các bộ phận khác. Chức năng chính của nó là giám sát và điều khiển trạng thái pin trong thời gian thực, bao gồm điện áp, dòng điện, nhiệt độ, SOC và các thông số khác. Ngoài ra, BMS cũng có thể bảo vệ và điều khiển pin để đảm bảo an toàn và tuổi thọ của pin.
Nhằm ngăn ngừa tình trạng sạc quá mức và xả quá mức pin, từ đó kéo dài tuổi thọ pin và nâng cao hiệu quả sử dụng pin.
Không chỉ vậy, hệ thống quản lý pin (BMS) còn đóng vai trò phân tích dữ liệu, nó cần tính toán và phân tích trạng thái sạc (SOC) và trạng thái sức khỏe (SOH) của pin để theo dõi tình trạng pin, và khi có bất kỳ thông tin bất thường nào, nó sẽ được báo cáo kịp thời, giúp người dùng biết được pin đang gặp sự cố.
Kiến trúc nhận thức nhiều lớp
Hầu hết các hệ thống BMS đều có kiến trúc ba tầng.
1. Lớp dưới cùng: BMU phụ (Slave BMU), chức năng chính của lớp này là thu thập điện áp và nhiệt độ của các cell pin, và chịu trách nhiệm thực hiện chiến lược cân bằng pin. Thông tin thu thập được sẽ được truyền đến lớp thứ hai thông qua một liên kết truyền thông, thường sử dụng CAN hoặc giao tiếp nối tiếp (daisy chain).
2. Lớp giữa: Bộ điều khiển chính BCU, chức năng chính của lớp này là thu thập thông tin điện áp, dòng điện và cách điện của cụm pin, điều khiển các công tắc tơ để bảo vệ bộ pin, thu thập thông tin từ BMU giai đoạn đầu tiên và ước tính trạng thái pin (SoX). Thông tin được thu thập và truyền đến giai đoạn thứ ba thông qua liên kết truyền thông, thường sử dụng CAN hoặc Ethernet.
3. Cấp trên: Điều khiển tổng quát, quản lý cụm pin. Chức năng chính của cấp này là thu thập thông tin được truyền bởi BCU cấp hai, lưu trữ và hiển thị thông tin, v.v., với chức năng cảnh báo thời gian thực, chức năng điều khiển và phản hồi tiếp xúc của bộ ngắt mạch chính, và chức năng giao tiếp thời gian thực với PCS, EMS và giám sát cục bộ.
Yêu cầu kỹ thuật
So với hệ thống quản lý pin (BMS) dành cho ắc quy ô tô, hệ thống BMS dành cho thiết bị lưu trữ năng lượng có cấu trúc phức tạp hơn.
Trước hết, dung lượng pin và mức độ khác nhau, hệ thống quản lý pin (BMS) có mức độ cung cấp điện cao hơn, việc mắc nối tiếp và song song đòi hỏi nhiều pin hơn.
Hệ thống quản lý pin (BMS) có yêu cầu cao hơn đối với kết nối lưới điện. Việc kết nối với lưới điện đòi hỏi khắt khe hơn. Pin năng lượng được kết nối với hệ thống pin và hệ thống điện tử của xe, do đó yêu cầu kỹ thuật thấp hơn.
Chợ
Thị trường hệ thống quản lý pin (BMS) bao gồm ba loại hình doanh nghiệp chính: nhà sản xuất ô tô, nhà sản xuất pin điện và các nhà sản xuất BMS độc lập. Các nhà sản xuất ô tô và nhà sản xuất pin điện thường hoạt động dưới hình thức nghiên cứu và phát triển độc lập hoặc hợp tác phát triển với các nhà cung cấp BMS. Hầu hết các nhà sản xuất pin điện hàng đầu trong nước như BYD, Ningde Times, Guoxuan Gaoke và AVIC Li-power đều áp dụng mô hình bố trí BMS+PACK để cung cấp cả bộ pin và gói BMS. Hiện nay, số lượng nhà sản xuất BMS độc lập rất lớn, và dòng sản phẩm BMS có thể được cung cấp cho nhiều ngành công nghiệp khác nhau.
Hiện nay, các doanh nghiệp hàng đầu trong ngành công nghiệp hệ thống quản lý pin (BMS) của Trung Quốc đang có những ưu thế rõ rệt, cụ thể là, năm 2022, công suất lắp đặt BMS pin năng lượng mới của mười nhà sản xuất hàng đầu Trung Quốc chiếm 76,1%. Trong đó, ba công ty hàng đầu là BYD, Ningde Times và Tesla, đều là các nhà sản xuất ô tô và pin, với thị phần lần lượt là 26,4%, 16,9% và 9%. Thị phần của các nhà sản xuất BMS độc lập tương đối thấp, và nhà sản xuất BMS độc lập lớn nhất Trung Quốc, Li Xinneng, xếp thứ tư về thị phần, nhưng tổng thị phần chỉ là 6,7%.
Chuyển từ các chức năng cơ bản sang các chức năng nâng cao
1. Độ tin cậy cao hơn
Do mỗi cụm pin đều có hệ thống giám sát và điều khiển riêng, độ tin cậy của hệ thống quản lý pin phân tán (distributed BMS) cao hơn. Ngay cả khi một pin bị hỏng, các pin khác vẫn có thể hoạt động bình thường và hiệu suất tổng thể của hệ thống sẽ không bị ảnh hưởng nhiều.
2. Dễ bảo trì và nâng cấp
Do cấu trúc của hệ thống quản lý pin phân tán (distributed BMS) tương đối đơn giản, mỗi cell pin có thể hoạt động độc lập, do đó việc bảo trì và nâng cấp tương đối dễ dàng. Khi một bộ pin bị hỏng, nó có thể được thay thế trực tiếp mà không cần phải tắt toàn bộ hệ thống để bảo trì và nâng cấp.
3. Độ linh hoạt cao hơn
Hệ thống giám sát và điều khiển của hệ thống quản lý pin phân tán được bố trí rải rác trong từng cụm pin, do đó hệ thống linh hoạt hơn. Số lượng cell pin có thể được tăng hoặc giảm tùy theo nhu cầu thực tế, mà không cần phải xem xét đến sự phức tạp của toàn bộ hệ thống phân tán.
Hệ thống quản lý năng lượng (EMS)
EMS (Hệ thống quản lý năng lượng), mặc dù chiếm tỷ trọng không lớn trong toàn bộ hệ thống lưu trữ năng lượng, nhưng lại là một thành phần cốt lõi cực kỳ quan trọng. Nói chung, nó đề cập đến việc điều chỉnh và kiểm soát trạm điện lưu trữ pin lithium bằng một hệ thống quản lý năng lượng tích hợp.
Tổ chức
Hệ thống quản lý năng lượng bao gồm nhiều bộ phận, chúng sẽ được trình bày như bên dưới.
1. Giám sát và thu thập: Hệ thống quản lý năng lượng giám sát việc sản xuất, lưu trữ và tiêu thụ năng lượng trong cơ sở lưu trữ năng lượng theo thời gian thực thông qua các cảm biến và thiết bị đo lường. Hệ thống có khả năng thu thập nhiều loại dữ liệu, bao gồm trạng thái sạc và xả pin, nhiệt độ, điện áp, dòng điện, v.v.
2. Phân tích và tối ưu hóa dữ liệu: Hệ thống quản lý năng lượng dựa trên công nghệ phân tích dữ liệu tiên tiến để xử lý và phân tích dữ liệu thu thập được nhằm hiểu rõ trạng thái hoạt động và hiệu suất của hệ thống năng lượng. Thông qua phân tích dữ liệu, hệ thống có thể xác định các vấn đề tiềm ẩn trong hệ thống năng lượng và đưa ra các đề xuất tối ưu hóa, chẳng hạn như điều chỉnh chiến lược sạc và xả cũng như tối ưu hóa hiệu quả sử dụng năng lượng.
3. Lập kế hoạch và điều khiển năng lượng: Hệ thống quản lý năng lượng có thể lập kế hoạch và điều khiển năng lượng một cách thông minh dựa trên nhu cầu năng lượng thực tế và hoạt động của hệ thống. Hệ thống có thể sắp xếp hợp lý hoạt động sạc và xả của các thiết bị lưu trữ năng lượng theo dự báo nhu cầu, tình hình giá điện, tải lưới và các yếu tố khác, nhằm mục đích sử dụng và tiết kiệm năng lượng hiệu quả.
4. Phát hiện lỗi và bảo vệ an toàn: Hệ thống quản lý năng lượng có thể kịp thời phát hiện và cảnh báo các điều kiện lỗi trong cơ sở lưu trữ năng lượng, chẳng hạn như xả quá mức, sạc quá mức và nhiệt độ bất thường của pin, nhằm đảm bảo hoạt động an toàn của cơ sở lưu trữ năng lượng. Đồng thời, nó cũng có thể được kết nối với hệ thống mạng lưới phân phối để thực hiện điều khiển và bảo vệ từ xa các cơ sở lưu trữ năng lượng.
Tối ưu hóa chiến lược vận hành và thiết kế chiến lược điều khiển là điểm mấu chốt.
Thiết kế chiến lược vận hành tối ưu và chiến lược điều khiển là điểm cốt lõi và cũng là khó khăn của các sản phẩm EMS.
Xem xét đặc điểm sạc và xả của hệ thống lưu trữ năng lượng, chi phí sạc và xả của thiết bị lưu trữ năng lượng, và lợi ích ứng dụng của hệ thống lưu trữ năng lượng, trên cơ sở đáp ứng các yêu cầu điều khiển phân bổ lưới điện, việc thiết kế các chiến lược vận hành và điều khiển tối ưu có thể nâng cao lợi ích kinh tế của việc vận hành hệ thống lưu trữ năng lượng và cải thiện các chỉ số kỹ thuật khác nhau.
Các sản phẩm EMS thường đóng vai trò là cầu nối giữa hệ thống lưu trữ năng lượng và các hệ thống thông tin cấp cao hơn.
Hệ thống lưu trữ năng lượng có thể tham gia vào việc lập kế hoạch lưới điện, lập kế hoạch nhà máy điện ảo, tương tác “nguồn-lưới-tải-lưu trữ”, v.v. thông qua EMS.
Các sản phẩm EMS và việc lập kế hoạch lưới điện cùng các yếu tố khác có sự phối hợp chặt chẽ, và về chức năng có một số điểm tương đồng. Do đó, công ty cần hiểu rõ đặc điểm vận hành của lưới điện, khai thác sâu kiến thức và kinh nghiệm mà các công ty công nghệ thông tin phía lưới điện tích lũy được, từ đó hình thành khả năng tái sử dụng, mang lại lợi thế nhất định.
