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——感謝高特邸金生&徐劍虹對(duì)“儲(chǔ)能BMS價(jià)值與發(fā)展趨勢(shì) ”的分享。特普生把部分適合的內(nèi)容分享給大家。如涉及內(nèi)容侵權(quán)，請(qǐng)與我們聯(lián)系。

一、儲(chǔ)能BMS價(jià)值

現(xiàn)實(shí)下的儲(chǔ)能

單體本體一致性、制造和使用環(huán)境是系統(tǒng)可用容量的決定性因素，隨著高電壓、大容量單體電池的普及，離散性及一致性問題是影響儲(chǔ)能系統(tǒng)使用效率的重要因素。

（3）效益

磷酸鐵鋰回收利用率較高，但回收收益低；如何延長循環(huán)壽命，提高資源利用率，更好體現(xiàn)社會(huì)效益。

（4）成本

有初始成本、全生命周期度電成本，安全成本、消防成本，以及運(yùn)維成本

BMS的關(guān)鍵作用

電池制造工藝和系統(tǒng)集成水平提升，系統(tǒng)質(zhì)量、可靠性均增加。然而，單體離散性和熱失控風(fēng)險(xiǎn)仍影響系統(tǒng)長壽命和高收益。解決熱失控問題需要綜合考慮多種因素，單一維度的監(jiān)測(cè)和診斷無法及時(shí)預(yù)防和控制風(fēng)險(xiǎn)。

以上決定了初始條件，如何獲得更長壽命更高效益，BMS管理和維護(hù)能力起到重要作用。

電池管理系統(tǒng) BMS是新能源產(chǎn)業(yè)的核心

無論是電車，還是儲(chǔ)能電站，或基站電源，電池都是儲(chǔ)能部件。對(duì)電池的感知、決策和執(zhí)行構(gòu)成了整個(gè)儲(chǔ)能的控制系統(tǒng)，BMS作為極為重要的感知部件，是儲(chǔ)能系統(tǒng)的核心基礎(chǔ)，也是EMS決策、PCS執(zhí)行的重要依據(jù)。

BMS基本功能已不能滿足儲(chǔ)能系統(tǒng)高效運(yùn)行的需要，安全預(yù)警分析、性能診斷、自動(dòng)運(yùn)維及運(yùn)維策略的智能定制構(gòu)成的數(shù)據(jù)服務(wù)體系，將成為儲(chǔ)能發(fā)展的重要功能。

BMS+數(shù)據(jù)服務(wù)體系

二、儲(chǔ)能BMS重要性

BMS在儲(chǔ)能系統(tǒng)中的組成及關(guān)系

BMS運(yùn)行環(huán)境

儲(chǔ)能BMS的技術(shù)要求

針對(duì)儲(chǔ)能系統(tǒng)的運(yùn)行環(huán)境特點(diǎn)，對(duì)儲(chǔ)能BMS有其特殊要求:

1.電池組儲(chǔ)能容量通常為數(shù)MWh，變換功率為數(shù)百KW至數(shù)MW，需要多組電池串并聯(lián)組成儲(chǔ)能單元。此外，系統(tǒng)涉及多人控制單元協(xié)調(diào)，拓?fù)浜筒季€復(fù)雜。使得儲(chǔ)能系統(tǒng)具有直流側(cè)電壓高 (高達(dá)1500V以上) 、功率大 (數(shù)百千瓦或數(shù)瓦) 、電池?cái)?shù)量多、電磁環(huán)境惡劣、干擾嚴(yán)重、數(shù)據(jù)龐大、控制復(fù)雜的特點(diǎn)。

對(duì)BMS電路原理和布局布線設(shè)計(jì)，抗于擾EMC設(shè)計(jì)，數(shù)據(jù)處理能力，響應(yīng)速度等等提出了的要求。

同時(shí)，也對(duì)整個(gè)儲(chǔ)能系統(tǒng)的布局布線、接地等設(shè)計(jì)也提出了很高的要求，不僅僅要考慮布線的安全性，也要考慮信號(hào)的相互耦合、屏蔽等。

2. 由于儲(chǔ)能系統(tǒng)深度充放電的特性，在充放電末期電池簇內(nèi)的電芯容量一致性將對(duì)儲(chǔ)能系統(tǒng)可用容量產(chǎn)生影響，降低儲(chǔ)能系統(tǒng)的效率。為保證電池組內(nèi)單體電池性能一致，BMS需有強(qiáng)電池均衡管理能力。所以，儲(chǔ)能系統(tǒng)一般要求采用主動(dòng)均衡技術(shù)，均衡電流一般為0.5~5A，以達(dá)到對(duì)一次充放電循環(huán)電池組產(chǎn)生的差異進(jìn)行快速、有效的補(bǔ)償，消除差異，確保電池系統(tǒng)可用容量。對(duì)280Ah電池而言，1%的差異就是2.8Ah，被動(dòng)均衡難以起到作用。

3. 為保證電池使用壽命，溫度控制非常重要，必須細(xì)致設(shè)計(jì)系統(tǒng)的熱管理。尤其對(duì)于調(diào)頻調(diào)峰應(yīng)用的儲(chǔ)能系統(tǒng)，由于高倍率的充放電電流將導(dǎo)致電池發(fā)熱嚴(yán)重，且不均衡，加快電池性能衰減，最終縮短電池使用壽命。熱管理設(shè)計(jì)包括電池模組的熱設(shè)計(jì)，系統(tǒng)散熱風(fēng)道，BMS熱管理控制策略等等。液冷系統(tǒng)可以較好的實(shí)現(xiàn)電池?zé)峁芾怼Ｍ瑯樱?span style="color: #00B0F0;">電池溫度異?？赡苁请姵匦阅芟陆岛蜔崾Э氐那罢?/span>。對(duì)電池溫度監(jiān)測(cè)極為重要為避免電池異常溫度監(jiān)測(cè)盲點(diǎn)，往往需要電池溫度監(jiān)測(cè)到每一電芯的要求。

4. 當(dāng)多組電池組并聯(lián)使用時(shí) (或電池堆維護(hù)時(shí)) ，還必須考慮電池組的并聯(lián)控制策略防止電池組間由于電池組組端電壓差導(dǎo)致環(huán)流的發(fā)生，也要考慮不同電池簇間的均衡維護(hù)。

5.由于系統(tǒng)復(fù)雜，接入多種數(shù)據(jù)接口和大量數(shù)據(jù)，BMS控制單元需要處理復(fù)雜協(xié)議和快速響應(yīng)能力，對(duì)處理器、軟件架構(gòu)、代碼質(zhì)量有高要求，如IEC61850接入?yún)f(xié)議、數(shù)據(jù)保存和故障追溯，一般需要3~5年數(shù)據(jù)保存能力，以滿足全生命周期需求則需15年以上保存能力。在調(diào)頻應(yīng)用中，數(shù)據(jù)響應(yīng)速度也很關(guān)鍵，目前集裝箱電池?cái)?shù)據(jù)上傳需要10s的時(shí)間，無法滿足需求。

6.為了滿足儲(chǔ)能系統(tǒng)對(duì)安全性、可靠性的高要求，BMS需要具備高可靠性、系統(tǒng)容錯(cuò)和功能安力。儲(chǔ)能BMS的設(shè)計(jì)壽命一般為15年，但相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)并沒有給出可靠性指標(biāo)描述。建議采用MTBF=10~5或年故障率蘭100~500ppm，同時(shí)要滿足ULS-61508的功能安全要求，確保在故障狀態(tài)下BMS的系統(tǒng)安全。

7. 儲(chǔ)能系統(tǒng)的安全問題是儲(chǔ)能產(chǎn)業(yè)發(fā)展的痛點(diǎn)和難點(diǎn)，電池安全狀態(tài)分析和預(yù)警是未來BMS的一項(xiàng)極為重要的要求。

綜上所述，儲(chǔ)能BMS與汽車BMS是有很大區(qū)別。

一般而言，車的應(yīng)用場(chǎng)景對(duì)BMS提出寬溫度范圍、溫度瞬變、振動(dòng)、防水等環(huán)境要求嚴(yán)格而規(guī)范協(xié)議、策略，安全性要求 (ISO26262) ，的可靠性要求(至100ppm)，規(guī)范性要求 (IATF16949，AUTOSAR,UDS) 等等，而能量系統(tǒng)相對(duì)較小,系統(tǒng)復(fù)雜度較低。

儲(chǔ)能BMS與汽車BMS的差異在于儲(chǔ)能系統(tǒng)更為復(fù)雜、龐大，需要特殊設(shè)計(jì)開發(fā)，并針對(duì)電池陣列設(shè)計(jì)三級(jí)架構(gòu)予以管理。此外，儲(chǔ)能系統(tǒng)的環(huán)境要求也更為嚴(yán)格，需要具備高安全性、可靠性和規(guī)范性要求。

三、儲(chǔ)能BMS發(fā)展趨勢(shì)

1、要求BMS采集電路具有良好的EMC抗干擾和電壓隔離能力。一般采用專用集成電路，包括電平切換、AD轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)處理、被動(dòng)均衡、掉線監(jiān)測(cè)等，具備高的抗干擾性和故障診斷功能。不推薦使用光耦繼電器和外置AD，其無法實(shí)現(xiàn)故障診斷和被動(dòng)均衡功能，精度不易保證，且抗干擾性較弱。

2、建議將溫度監(jiān)測(cè)點(diǎn)和電壓監(jiān)測(cè)點(diǎn)的比例設(shè)為1:1，并推薦使用+2的監(jiān)測(cè)模組接插件溫度。同時(shí)，要求將溫度監(jiān)測(cè)點(diǎn)安裝在電池極柱上，以減少監(jiān)測(cè)延遲并提高準(zhǔn)確性。對(duì)于容易發(fā)生發(fā)熱的關(guān)鍵點(diǎn)（如動(dòng)力母線連接點(diǎn)、繼電器、斷路器等），建議添加溫度監(jiān)測(cè)。

3、SOS將直接影響電池系統(tǒng)安全，BMS應(yīng)該具有電池安全狀態(tài)的評(píng)估能力。由于溫度監(jiān)測(cè)目前沒有監(jiān)測(cè)到，或只測(cè)到匯流排的溫度，根本無法知道電池內(nèi)部的真實(shí)溫度。所以，在電池內(nèi)部發(fā)生熱失控時(shí)，急劇上升的溫度沒有被及時(shí)發(fā)現(xiàn)，而導(dǎo)致電池安全運(yùn)行的巨大隱患。

同樣，當(dāng)電池溫度過高，內(nèi)部壓力過大時(shí)，也將發(fā)生安全閥開啟，但目前沒有安全閥監(jiān)測(cè)也就未能及時(shí)采取保護(hù)措施，如切斷電路、停止運(yùn)行、啟動(dòng)局部降溫及消防等。因此，以上二點(diǎn)將成為未來BMS安全設(shè)計(jì)的突破點(diǎn)。

儲(chǔ)能BMS發(fā)展趨勢(shì)二——主動(dòng)均衡

在儲(chǔ)能系統(tǒng)中，隨著單體電池容量越來越大，電池差異的值也將隨之變大，如280Ah的電芯，1%的差異就是2.8Ah，一般被動(dòng)均衡電流小于200mA，根本已無法滿足電池系統(tǒng)均衡及壽命的要求，更何況被動(dòng)均衡消耗了寶貴的能量。

因此，主動(dòng)均衡技術(shù)已經(jīng)成為必然的趨勢(shì)。

按照單體電池年平均衰減率為1.5%，離散系數(shù)為1.5,標(biāo)稱容量衰減到80%電池壽命終止，測(cè)算電池簇運(yùn)行壽命單體電池到15年后容量低于80%，無均衡電池簇到第9年低于80%，而加上主動(dòng)均衡后電池簇大約從第2年末主動(dòng)均衡開始啟動(dòng)，在均衡有效區(qū)間內(nèi)，電池簇容量始終可保持和單體電池容量5%的差距以內(nèi)，直到第14年電池簇容量低于80%。與無均衡相比電池簇壽命延長4年 (對(duì)應(yīng)圖中C區(qū)間)，提升量為30%。

在實(shí)際運(yùn)行中，由于不同電池系統(tǒng)中使用的電池材料規(guī)格、廠家的差異、電池本身衰減特性的差異、PACK組成技術(shù)的差異、以及運(yùn)行工況、控制策略的差異等，主動(dòng)均衡對(duì)電池壽命的延長也會(huì)有不同的結(jié)果。即使按50%的保守折算估計(jì)。

測(cè)試數(shù)據(jù)和計(jì)算表明主動(dòng)均衡可以延長電池使用壽命20%，具有很高的經(jīng)濟(jì)效益。

儲(chǔ)能BMS發(fā)展趨勢(shì)三——芯片國產(chǎn)化

BMS芯片

電池管理系統(tǒng)的核心之一是BMS芯片，而BMS芯片卻一直高度依賴國外。國內(nèi)的BMS生產(chǎn)廠家只能采購國外的芯片，不僅成本高，而且沒有任何核心技術(shù)，更沒有話語權(quán)，使得國內(nèi)BMS廠家被迫淪為國外芯片廠家的代工廠。

高特早在2016年即開始了BMS集成電路芯片的方案設(shè)計(jì)和布局。目前已經(jīng)和合作伙伴完成前端采集電路AFE，2018年下半年至今已有120萬片應(yīng)用在高特BMS產(chǎn)品2018年始，高特基于自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的雙向主動(dòng)均衡技術(shù)，和合作伙伴啟動(dòng)了主動(dòng)均衡芯片的研發(fā)，于2019年9月完成MPW樣品，2020年04投入小批量生產(chǎn)2021年起批量用于高特主動(dòng)均衡的BMS產(chǎn)品，目前累已經(jīng)使用超過20萬片。

至此，高特已經(jīng)成為行業(yè)中擁有采集AFE和主動(dòng)均衡二款芯片的BMS供應(yīng)商，使高特?cái)[脫了BMS關(guān)鍵器件對(duì)國外的依賴，解決了“卡脖子”的問題，同時(shí)也在同行中具有了技術(shù)和價(jià)格競(jìng)爭優(yōu)勢(shì)

目前，高特正在進(jìn)行電池傳感器芯片的研發(fā)。

儲(chǔ)能BMS發(fā)展趨勢(shì)四——電池傳感技術(shù)

儲(chǔ)能BMS發(fā)展趨勢(shì)五

——系統(tǒng)集成化、高可靠性、功能安全

隨著儲(chǔ)能系統(tǒng)的成熟和成本壓力，BMS和PCS、EMS等各子系統(tǒng)的集成整合將成為發(fā)展趨勢(shì)，在系統(tǒng)架構(gòu)層面將變得越來越簡單。各子系統(tǒng)信息整合也將是必然的趨勢(shì)，關(guān)聯(lián)判斷、故障診斷、聯(lián)動(dòng)保護(hù)等成為標(biāo)配;

不論是整個(gè)儲(chǔ)能系統(tǒng)還是BMS，系統(tǒng)可靠性要求將越來越高，將使整體壽命達(dá)到15~25年。因此，BMS的可靠性設(shè)計(jì)是未來BMS所面臨的挑戰(zhàn)，必須在系統(tǒng)設(shè)計(jì)元器件選擇、結(jié)構(gòu)工藝等各個(gè)方面予以考慮。單純追求低成本的粗制濫造將難以生存;

儲(chǔ)能BMS功能安全設(shè)計(jì)是未來BMS的基本要求，必須確保BMS在任何故障的情況下，保證系統(tǒng)安全。