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高特邸金生&徐剑虹:储能BMS价值与发展趋势

特普生科技 特普生科技 2023-07-16 12 387

——感谢高特邸金生&徐剑虹对“储能BMS价值与发展趋势 ”的分享。特普生把部分适合的内容分享给大家。如涉及内容侵权,请与我们联系。

一、储能BMS价值

现实下的储能

(1)效率

单体本体一致性、制造和使用环境是系统最大可用容量的决定性因素,随着高电压、大容量单体电池的普及,离散性及一致性问题是影响储能系统使用效率的重要因素。

(2)安全
本体安全已有较大进步和保障,仍存在热失控风险;BMS监测手段单一,无法提前预知电池及系统异常状态,无法科学精确预知热失控风险等。

(3)效益

磷酸铁锂回收利用率较高,但回收收益低;如何延长循环寿命,提高资源利用率,更好体现社会效益。

(4)成本

有初始成本、全生命周期度电成本,安全成本、消防成本,以及运维成本

BMS的关键作用

电池制造工艺和系统集成水平提升,系统质量、可靠性均增加。然而,单体离散性和热失控风险仍影响系统长寿命和高收益。解决热失控问题需要综合考虑多种因素,单一维度的监测和诊断无法及时预防和控制风险。

以上决定了初始条件,如何获得更长寿命更高效益,BMS管理和维护能力起到重要作用。


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电池管理系统 BMS是新能源产业的核心

无论是电车,还是储能电站,或基站电源,电池都是储能部件。对电池的感知、决策和执行构成了整个储能的控制系统,BMS作为极为重要的感知部件,是储能系统的核心基础,也是EMS决策、PCS执行的重要依据。

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BMS基本功能已不能满足储能系统高效运行的需要,安全预警分析、性能诊断、自动运维及运维策略的智能定制构成的数据服务体系,将成为储能发展的重要功能。

BMS+数据服务体系

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二、储能BMS重要性

电池管理系统BMS新能源产业的核心

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BMS在储能系统中的组成及关系

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BMS运行环境

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储能BMS的技术要求

针对储能系统的运行环境特点,对储能BMS有其特殊要求:

1.电池组储能容量通常为数MWh,变换功率为数百KW至数MW,需要多组电池串并联组成储能单元。此外,系统涉及多人控制单元协调,拓扑和布线复杂。使得储能系统具有直流侧电压高 (高达1500V以上) 、功率大 (数百千瓦或数瓦) 、电池数量多、电磁环境恶劣、干扰严重、数据庞大、控制复杂的特点。

对BMS电路原理和布局布线设计,抗于扰EMC设计,数据处理能力,响应速度等等提出了极高的要求。

同时,也对整个储能系统的布局布线、接地等设计也提出了很高的要求,不仅仅要考虑布线的安全性,也要考虑信号的相互耦合、屏蔽等。

2. 由于储能系统深度充放电的特性,在充放电末期电池簇内的电芯容量一致性将对储能系统可用容量产生影响,降低储能系统的效率。为保证电池组内单体电池性能一致,BMS需有强电池均衡管理能力。所以,储能系统一般要求采用主动均衡技术,均衡电流一般为0.5~5A,以达到对一次充放电循环电池组产生的差异进行快速、有效的补偿,消除差异,确保电池系统可用容量最大化。对280Ah电池而言,1%的差异就是2.8Ah,被动均衡难以起到作用。

3. 为保证电池使用寿命,温度控制非常重要,必须细致设计系统的热管理。尤其对于调频调峰应用的储能系统,由于高倍率的充放电电流将导致电池发热严重,且不均衡,加快电池性能衰减,最终缩短电池使用寿命。热管理设计包括电池模组的热设计,系统散热风道,BMS热管理控制策略等等。液冷系统可以较好的实现电池热管理。同样,电池温度异常可能是电池性能下降和热失控的前兆。对电池温度监测极为重要为避免电池异常温度监测盲点,往往需要电池温度监测到每一电芯的要求。

4. 当多组电池组并联使用时 (或电池堆维护时) ,还必须考虑电池组的并联控制策略防止电池组间由于电池组组端电压差导致环流的发生,也要考虑不同电池簇间的均衡维护。

5.由于系统复杂,接入多种数据接口和大量数据,BMS控制单元需要处理复杂协议和快速响应能力,对处理器、软件架构、代码质量有高要求,如IEC61850接入协议、数据保存和故障追溯,一般需要3~5年数据保存能力,以满足全生命周期需求则需15年以上保存能力。在调频应用中,数据响应速度也很关键,目前集装箱电池数据上传需要10s的时间,无法满足需求。

6.为了满足储能系统对安全性、可靠性的高要求,BMS需要具备高可靠性、系统容错和功能安全能力。储能BMS的设计寿命一般为15年,但相关标准并没有给出可靠性指标描述。建议采用MTBF=10~5或年故障率兰100~500ppm,同时要满足ULS-61508的功能安全要求,确保在故障状态下BMS的系统安全。

7. 储能系统的安全问题是储能产业发展的痛点和难点,电池安全状态分析和预警是未来BMS的一项极为重要的要求。

综上所述,储能BMS与汽车BMS是有很大区别。

一般而言,车的应用场景对BMS提出宽温度范围、温度瞬变、振动、防水等环境要求严格而规范协议、策略,极高安全性要求 (ISO26262) ,极高的可靠性要求(至100ppm),规范性要求 (IATF16949,AUTOSAR,UDS) 等等,而能量系统相对较小,系统复杂度较低。

储能BMS与汽车BMS的差异在于储能系统更为复杂、庞大,需要特殊设计开发,并针对电池阵列设计三级架构予以管理。此外,储能系统的环境要求也更为严格,需要具备高安全性、可靠性和规范性要求。

三、储能BMS发展趋势

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1、要求BMS采集电路具有良好的EMC抗干扰和电压隔离能力。一般采用专用集成电路,包括电平切换、AD转换、数据处理、被动均衡、掉线监测等,具备高的抗干扰性和故障诊断功能。不推荐使用光耦继电器和外置AD,其无法实现故障诊断和被动均衡功能,精度不易保证,且抗干扰性较弱。

2、建议将温度监测点和电压监测点的比例设为1:1,并推荐使用+2的监测模组接插件温度。同时,要求将温度监测点安装在电池极柱上,以减少监测延迟并提高准确性。对于容易发生发热的关键点(如动力母线连接点、继电器、断路器等),建议添加温度监测。

3、SOS将直接影响电池系统安全,BMS应该具有电池安全状态的评估能力。由于温度监测目前没有监测到,或只测到汇流排的温度,根本无法知道电池内部的真实温度。所以,在电池内部发生热失控时,急剧上升的温度没有被及时发现,而导致电池安全运行的巨大隐患。

同样,当电池温度过高,内部压力过大时,也将发生安全阀开启,但目前没有安全阀监测也就未能及时采取保护措施,如切断电路、停止运行、启动局部降温及消防等。因此,以上二点将成为未来BMS安全设计的突破点。

储能BMS发展趋势二——主动均衡

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在储能系统中,随着单体电池容量越来越大,电池差异的绝对值也将随之变大,如280Ah的电芯,1%的差异就是2.8Ah,一般被动均衡电流小于200mA,根本已无法满足电池系统均衡及寿命的要求,更何况被动均衡消耗了宝贵的能量。

因此,主动均衡技术已经成为必然的趋势。

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按照单体电池年平均衰减率为1.5%,离散系数为1.5,标称容量衰减到80%电池寿命终止,测算电池簇运行寿命单体电池到15年后容量低于80%,无均衡电池簇到第9年低于80%,而加上主动均衡后电池簇大约从第2年末主动均衡开始启动,在均衡有效区间内,电池簇容量始终可保持和单体电池容量5%的差距以内,直到第14年电池簇容量低于80%。与无均衡相比电池簇寿命延长4年 (对应图中C区间),提升量为30%。

在实际运行中,由于不同电池系统中使用的电池材料规格、厂家的差异、电池本身衰减特性的差异、PACK组成技术的差异、以及运行工况、控制策略的差异等,主动均衡对电池寿命的延长也会有不同的结果。即使按50%的保守折算估计。

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测试数据和计算表明主动均衡可以延长电池使用寿命20%,具有很高的经济效益。

储能BMS发展趋势三——芯片国产化

BMS芯片

电池管理系统的核心之一是BMS芯片,而BMS芯片却一直高度依赖国外。国内的BMS生产厂家只能采购国外的芯片,不仅成本高,而且没有任何核心技术,更没有话语权,使得国内BMS厂家被迫沦为国外芯片厂家的代工厂。

高特早在2016年即开始了BMS集成电路芯片的方案设计和布局。目前已经和合作伙伴完成前端采集电路AFE,2018年下半年至今已有120万片应用在高特BMS产品2018年始,高特基于自主知识产权的双向主动均衡技术,和合作伙伴启动了主动均衡芯片的研发,于2019年9月完成MPW样品,2020年04投入小批量生产2021年起批量用于高特主动均衡的BMS产品,目前累已经使用超过20万片。

至此,高特已经成为行业中唯一拥有采集AFE和主动均衡二款芯片的BMS供应商,使高特摆脱了BMS关键器件对国外的依赖,解决了“卡脖子”的问题,同时也在同行中具有了技术领先和价格竞争优势

目前,高特正在进行电池传感器芯片的研发。


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储能BMS发展趋势四——电池传感技术

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储能BMS发展趋势五    

——系统集成化、高可靠性、功能安全

随着储能系统的成熟和成本压力,BMS和PCS、EMS等各子系统的集成整合将成为发展趋势,在系统架构层面将变得越来越简单。各子系统信息整合也将是必然的趋势,关联判断、故障诊断、联动保护等成为标配;

不论是整个储能系统还是BMS,系统可靠性要求将越来越高,将使整体寿命达到15~25年。因此,BMS的可靠性设计是未来BMS所面临的挑战,必须在系统设计元器件选择、结构工艺等各个方面予以考虑。单纯追求低成本的粗制滥造将难以生存;

储能BMS功能安全设计是未来BMS的基本要求,必须确保BMS在任何故障的情况下,保证系统安全。

特普生,成立于2011年,是国家高新技术、专精特新企业。主要研制NTC芯片热敏电阻温度传感器储能线束储能CCS集成采集母排储能模组铝巴等温度采集产品系列。一体化研制、一致性品质的特普生,竞争力优势明显:自主研制NTC芯片核心技术及实现医用0.3%精度;专利百项,保留不公开技术2项;为全球新能源产品、大消费品与工业品提供了定制化的温度采集技术。

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