I sistemi di accumulo di energia industriali e commerciali sono costituiti da un sistema di batterie (incluso il BMS), un sistema di gestione energetica (EMS), un sistema di controllo della potenza (PCS), un sistema di condizionamento dell'aria, un sistema antincendio, un sistema di monitoraggio e allarme, ecc., di cui il BMS e l'EMS, in quanto unità di controllo principali del sistema di accumulo di energia, svolgono rispettivamente l'importante ruolo di gestione delle batterie e gestione energetica. Le loro funzioni, prestazioni e l'integrazione tra software e hardware sono direttamente correlate alla sicurezza di utilizzo del sistema di accumulo di energia e al ritorno sull'investimento.
Sistema di gestione della batteria (BMS): occupandosi del rilevamento nel sistema, può monitorare e controllare i sistemi di accumulo a batteria per garantirne la sicurezza, la stabilità e le prestazioni.
Sistema di gestione energetica (SGA): responsabile del processo decisionale nel sistema, si riferisce generalmente al sistema integrato di gestione energetica, regolazione e controllo, implementato per le centrali elettriche con accumulo di energia tramite batterie al litio, che consente il monitoraggio e la diagnosi in tempo reale.
Sistema di conversione di potenza (PCS)Responsabile dell'esecuzione nel sistema, è una parte fondamentale dell'impianto di accumulo di energia, controllando la carica e la scarica delle batterie ed eseguendo la conversione CA/CC per fornire energia direttamente ai carichi CA in assenza di rete.
Sistema di gestione della batteria (BMS)
Il nome completo di BMS è Battery Management System, ovvero sistema di gestione della batteria, che indica il sottosistema utilizzato per gestire il sistema di accumulo di energia della batteria.
Funzione
Il BMS è composto principalmente da un modulo di monitoraggio, un modulo di controllo, un modulo di comunicazione e altre parti. La sua funzione principale è quella di monitorare e controllare lo stato della batteria in tempo reale, inclusi tensione, corrente, temperatura, SOC e altri parametri. Inoltre, il BMS può anche proteggere e controllare la batteria per garantirne la sicurezza e la durata.
Al fine di prevenire il sovraccarico e la scarica eccessiva della batteria, prolungandone così la durata e migliorandone l'efficienza di utilizzo.
Non solo, il BMS svolge anche il ruolo di analisi dei dati: deve calcolare e analizzare lo stato di carica (SOC) e lo stato di salute (SOH) della batteria, al fine di monitorarne lo stato e, in caso di anomalie, segnalarle tempestivamente all'utente, in modo che possa accorgersene in tempo.
Architettura della consapevolezza a livelli
Nella maggior parte dei sistemi BMS, l'architettura è a tre livelli.
1. Livello inferiore: BMU slave. La funzione di questo livello è principalmente quella di acquisire la tensione e la temperatura delle celle della batteria ed è responsabile dell'esecuzione della strategia di equalizzazione della batteria. L'acquisizione delle informazioni comunica con il secondo livello tramite un collegamento di comunicazione, solitamente utilizzando la comunicazione CAN o a catena (daisy chain).
2. Livello intermedio: Unità di controllo principale della batteria (BCU). Le funzioni principali di questo livello sono la raccolta di informazioni su tensione, corrente e isolamento del cluster, il controllo dei contattori per la protezione del pacco batterie, la raccolta di informazioni dalla BMU di primo stadio e la stima dello stato della batteria (SoX). Le informazioni vengono raccolte e comunicate al terzo stadio tramite un collegamento di comunicazione, solitamente utilizzando CAN o Ethernet.
3. Livello superiore: Controllo generale, per la gestione del gruppo batterie. La funzione principale di questo livello è raccogliere le informazioni trasmesse dalla BCU di secondo livello, memorizzarle e visualizzarle, ecc., con funzione di allarme in tempo reale, con funzione di controllo e feedback di contatto dell'interruttore principale e con funzione di comunicazione in tempo reale con PCS, EMS e monitoraggio locale.
Requisiti tecnici
Rispetto al BMS per le batterie di alimentazione dei veicoli, il BMS per i sistemi di accumulo di energia presenta una struttura più complessa.
Innanzitutto, la capacità della batteria, il livello è diverso, il livello di gestione dell'alimentazione BMS è più alto, la connessione in serie e in parallelo richiede più batterie.
Il BMS ha requisiti più elevati per la connessione alla rete. Ci sono requisiti più elevati per la connessione alla rete. La batteria di potenza è collegata alla batteria e al sistema elettronico del veicolo, quindi i requisiti tecnici sono inferiori.
Mercato
Nel mercato dei BMS operano principalmente tre tipologie di aziende: i produttori di veicoli, i produttori di batterie e i produttori indipendenti di BMS. I produttori di veicoli e di batterie svolgono la propria attività attraverso attività di ricerca e sviluppo indipendenti o in collaborazione con i fornitori di BMS. La maggior parte dei principali produttori nazionali di batterie, come BYD, Ningde Times, Guoxuan Gaoke e AVIC, adotta un modello BMS+PACK per la fornitura di pacchi batteria e sistemi BMS integrati. Attualmente, il numero di produttori indipendenti di BMS è elevato e la loro gamma di prodotti BMS è destinata a diversi settori.
Attualmente, le aziende leader nel settore dei BMS in Cina godono di vantaggi evidenti. Nello specifico, nel 2022, la quota di mercato dei primi dieci produttori cinesi nel settore dei BMS per batterie e sistemi di energia rinnovabile era pari al 76,1%. Tra questi, le prime tre aziende erano BYD, Ningde Times e Tesla, tutte produttrici di veicoli e batterie, con una quota rispettivamente del 26,4%, 16,9% e 9%. La quota dei produttori indipendenti di BMS è relativamente bassa: il maggiore produttore indipendente cinese, Li Xinneng, si è classificato al quarto posto, ma la sua quota complessiva è stata solo del 6,7%.
Passaggio dalle funzioni di base a quelle avanzate
1. Maggiore affidabilità
Poiché ogni batteria è dotata di un proprio sistema di monitoraggio e controllo, l'affidabilità del BMS distribuito è maggiore. Anche in caso di guasto di una singola batteria, le altre possono continuare a funzionare normalmente e le prestazioni complessive del sistema non ne risentiranno in modo significativo.
2. Facile da manutenere e aggiornare
Grazie alla struttura relativamente semplice dei sistemi BMS distribuiti, ogni cella della batteria può funzionare in modo indipendente, semplificando così le operazioni di manutenzione e aggiornamento. In caso di guasto di una batteria, questa può essere sostituita direttamente senza dover arrestare l'intero sistema per interventi di manutenzione o aggiornamento.
3. Maggiore flessibilità
Il sistema di monitoraggio e controllo del BMS distribuito è dislocato in ciascuna unità batteria, rendendo il sistema più flessibile. Il numero di celle della batteria può essere aumentato o diminuito in base alla domanda effettiva, senza dover considerare la complessità dell'intero sistema distribuito.
Sistema di gestione energetica (SGA)
Il sistema di gestione energetica (EMS), noto anche come sistema di gestione dell'energia, pur non rappresentando una quota rilevante dell'intero sistema di accumulo energetico, ne costituisce un componente fondamentale. In generale, si riferisce alla regolazione e al controllo di un sistema integrato di gestione energetica per centrali elettriche con accumulo a batterie al litio.
Organizzazione
Il sistema di gestione energetica comprende diverse parti, che saranno illustrate di seguito.
1. Monitoraggio e raccolta: Il sistema di gestione energetica monitora in tempo reale, tramite sensori e strumentazione, la generazione, lo stoccaggio e il consumo di energia nell'impianto di accumulo. È in grado di raccogliere una varietà di dati, tra cui lo stato di carica e scarica della batteria, la temperatura, la tensione, la corrente e così via.
2. Analisi e ottimizzazione dei dati: Il sistema di gestione energetica si basa su tecnologie avanzate di analisi dei dati per elaborare e analizzare i dati raccolti al fine di comprendere lo stato di funzionamento e le prestazioni del sistema energetico. Attraverso l'analisi dei dati, è possibile identificare potenziali problemi nel sistema energetico e fornire suggerimenti di ottimizzazione, come la regolazione delle strategie di carica e scarica e l'ottimizzazione dell'efficienza di utilizzo dell'energia.
3. Pianificazione e controllo dell'energia: Il sistema di gestione dell'energia è in grado di pianificare e controllare l'energia in modo intelligente in base alla domanda di energia in tempo reale e al funzionamento del sistema. Può organizzare in modo razionale le operazioni di carica e scarica degli impianti di accumulo di energia in base alle previsioni della domanda, alla situazione dei prezzi dell'elettricità, al carico della rete e ad altri fattori, al fine di realizzare un utilizzo efficiente e un risparmio energetico.
4. Rilevamento guasti e protezione di sicurezza: Il sistema di gestione energetica è in grado di rilevare e segnalare tempestivamente eventuali anomalie nell'impianto di accumulo energetico, come la scarica eccessiva della batteria, la sovraccarica e le anomalie di temperatura, al fine di garantire il funzionamento sicuro dell'impianto stesso. Allo stesso tempo, può essere collegato alla rete di distribuzione per consentire il controllo e la protezione a distanza degli impianti di accumulo energetico.
L'ottimizzazione della strategia operativa e della progettazione della strategia di controllo è il punto chiave
La progettazione di una strategia operativa e di controllo ottimizzata rappresenta il punto cruciale e la difficoltà dei prodotti EMS.
Considerando le caratteristiche di carica e scarica dei sistemi di accumulo energetico, i costi di carica e scarica delle unità di accumulo e i vantaggi dell'applicazione dei sistemi di accumulo, e nel rispetto dei requisiti di controllo della distribuzione della rete, la progettazione di strategie operative e di controllo ottimizzate può migliorare i benefici economici del funzionamento del sistema di accumulo energetico e incrementare diversi indicatori tecnici.
I prodotti EMS fungono generalmente da ponte tra il sistema di accumulo di energia e i sistemi informativi di livello superiore.
Il sistema di accumulo di energia può integrarsi con la programmazione della rete, la programmazione delle centrali elettriche virtuali, l'interazione "fonte-rete-carico-accumulo", ecc. tramite l'EMS.
I prodotti EMS e la pianificazione della rete e altri aspetti sono strettamente coordinati e presentano una certa somiglianza funzionale; l'azienda deve comprendere le caratteristiche operative della rete, approfondire le tecnologie informatiche lato rete, accumulare know-how e sviluppare la capacità di riutilizzo, ottenendo un certo vantaggio.
