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高特电子徐剑虹:主动均衡技术是未来储能电池管理系统的趋势

北极星储能网  来源:北极星储能网    2020/8/27 8:44:05  我要投稿  

北极星储能网讯:储能系统当电池组用到一定深度的时候,尾部放电时候电池的离散性就会表现出来,所以为了保证电池组深充深放容量必须要求储能BMS具有很强的均衡管理能力,所以结论主动均衡技术是未来储能电池管理系统的趋势。

——杭州高特电子设备股份有限公司总经理 徐剑虹

2020年8月26-28日,由中国能源研究会、中关村管委会、中关村科学城管委会指导,中国能源研究会储能专委会、中关村储能产业技术联盟、中国科学院工程热物理研究所联合主办的“第九届储能国际峰会暨展览会”在北京召开。峰会主题聚焦“聚储能十年之势,创产业十四五新机”,同期举办储能联盟十年纪念论坛。北极星储能网、北极星电力APP对本次峰会进行全程直播。

在8月26日举办的“储能创新论坛”上,杭州高特电子设备股份有限公司总经理徐剑虹做了“主动均衡技术是未来储能电池管理系统的趋势”的报告分享。

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杭州高特电子设备股份有限公司总经理 徐剑虹

徐剑虹:刚才前面的专家都讲的非常宏观,都是一些储能项目的应用或者一些案例,我就讲一些微观的东西。

高特是做BMS的,BMS到底是干什么的,什么是BMS,大家的说法有很多,以我的经验,我把它总结了一下,BMS无非就是解决三个问题,一个是感知,感知电池的状态,这就是BMS的基本功能,不管测电压、测电阻、测温度,最后就是一个感知电池状态,我们想知道电池状态什么样,现在也多少能量,多少容量,现在健康状态怎么样,现在有多少功率,现在安全状态怎么样,这就是感知。第二个就是管理,有人说BMS是电池的保姆,那这种保姆就要去管理,管理什么,就要把这个电池尽可能用好它,最基本就是均衡管理、热管理。第三个是保护,保姆还要做一个工作,如果电池出了一些状态,它要去进行保护,我想电池管理系统不管大家怎么解释,无外乎就这三个功能。

我们来看一下,有很多电池构成的电池簇,又有很多簇构成堆等等,当很多电池在一起成组的时候,就会存在着离散性,由于电池制造的材料工艺存在着离散性,使用环境的离散性导致电池组性能不一致,一些电池无法充足或者无法放出足够的电量。第二个环境,比如做电池模组的时候,周围一圈温度肯定比中间要低,哪怕其他参数完全一样,这个电池模组经过一段时间循环使用,也会表现出差异性来。所以电池组非一致性或者离散性是电池运行的一种必然表现,这样有可能导致整组电池容量下降,进而导致电池阻有效可用寿命下降,这是一个严重的问题。我们可以看到两个结论,第一个结论电池组实际有效容量小于实际单体容量,比如拔河,如果有一人一百公斤他就可以使出100公斤的力来,如果四个人都是一百公斤,他的合力不等于四百公斤,电池也是一样,有它的离散性,还有跑马拉松,出发的时候大家在一条起跑线上,跑着跑着距离拉开了,电池也是如此。第二个电池组容量衰减速度远大于电池单体容量的衰减速度,就是电池厂在出厂的时候,告诉大家一个电芯在100%DOD情况下能达到4000次循环,但当成组的时候一定达不到4000次,这个大家都理解,大家可以看到我刚买的一组电池,新的时候是红色的,西格玛很窄,Q值很高,就是它的容量越来越小,离散性变得越来越大,这就是电池的正态分布所表现出来的时间曲线。

在储能系统当中有两个重要的要求,第一个长寿命,对电池组寿命提出了很高的要求,我刚才记得前面的专家在说的时候是10年,我们国内大部分在提15年的寿命,15年的寿命大家算一下,如果一年算300次,15年是多少,所以这个要求还是非常高的,我们认为BMS能够干什么?尽可能的去发挥每一个电池应有的寿命,使得整个电池总的寿命尽可能达到设计的寿命,减少电池离散对电池组寿命的影响,这是BMS应该做的一件事情,就是我刚才讲的均衡管理。第二个在储能系统应用当中,深循环是它的特点,尤其是在削峰填谷应用场景,多放出一度电多一分收益,也就是说我们会做80%DOD或90%DOD,储能系统当中用到这个深度的时候,尾部放电时候电池的离散性就会表现出来,所以为了保证电池组在深充深放条件下每个单体容量的充分释放,必须要求储能BMS具有很强的均衡管理能力,抑制电池单体间一致性的出现,因此主动均衡技术必将是未来储能电池管理系统的趋势。

高特一直在做电池管理系统,这个大家都知道,我们在2010年的时候就开始专注做储能电池管理系统,做主动均衡技术,这个是在2013年申请的专利,这个专利最基本的原理,就是在一串电池组当中打个比方有两百串电池成为一个电池组,刚才已经讲过这是个正态分布电池组,如果里面充放有20个,在排序下挑出最高电压10个跟最低电压10个,最高电压可以放到BMS的供电电源母线,低的可以从母线充电,所以这就构成了任何一个电芯向任何一个电芯进行均衡的功能,大家看一下这是一串电池,如果有一节电池高,我可以把它放到供电母线,如果这个电池低了,可以从供电母线充电,如果把这两个合并,大家看到任何一个电芯可向任何一个电芯转移能量,这就是我们申请专利的拓扑原理,非常简单方便。为了提高系统的可靠性、安全性,降低故障率,降低系统复杂度、降低系统成本,芯片解决方案是解决主动均衡的最佳路径。

主动均衡为什么很难被大家接受呢?两个原因,一成本高,第二个系统太复杂了,故障率会变高,为了解决这个问题,所以我们提出了芯片的解决方案。

我们主动均衡芯片是从2018年开始,今年3月份小批量试制完成,研发了一个芯片,这是一个芯片组,这是个原理图,这是一个双向的反接电路,在这边驱动MOS管前端有一个芯片,在这个MOS管后端有一个芯片,这两个芯片之间通过光交换信息,后端的电源由前端提供,这就是芯片的一个工作的原理,它的特点最高可以支持12串电池的能量交换,双向同步皆是均衡,最高支持5A均衡电流,转换效率可以达到85%,原副边双芯设计,原副边都有保护,有一路独立的DCDC电源辅助,这个是一个开关矩阵,芯片也可以驱动这个开关矩阵。这是一个原边的芯片,大家可以看到,第一个驱动原边的开关管,第二个驱动副边的开关管,当然它的工作模式如果是充电模式,它是开关管,后面是同步整流,转过来如果是放电模式,这是一个开关管,这是一个可逆双向的开关驱动,这可以看到这是一个故障的信息,它是一个逻辑判断,这是一个故障输出信号,大家可以看到具有了硬件功能安全模块,我们对所有故障用硬件方式进行判断跟保护。这是个副边的芯片,副边对这里有一个电流,电流输入之后ICD信号进行比较,调节控制,输出的电流,我们输出的电流对电池端,不论充电还是放电都是恒流源,恒流源有一个好处非常安全,有些哪怕短路了,恒流源也不会导致过流的发生。这个保护是从这边信号的判断来进行判断,这是一个信号输出,就是它可以通过这个告诉前端发生了什么,比如任何一个开关的损坏、过压、过流等等,都可以进行保护。

主动均衡主要性能指标工作电压是10到32伏,支持电芯从1.2伏到4.8伏,涵盖了目前三类锂电池,工作的温度从零下40度到正85度,这个满足的车规级的要求。这是一个测试验证,这是充电时候的充电曲线,这是放电的曲线,绿色的是个电流信号,这是开关频率,开关频率在零下40度到85度这个范围内它的变化是非常小的,基本可控,大约在正负2%的波动。这是高低温的曲线,从零下40度到正85度,这个误差非常小,大约只有2%到3左右的误差,这个是异常保护,就是这个芯片自带硬件级别的保护功能,如果电源欠压或者过压了,都可以实现快速的保护,这是电流输出,如果欠流跟过流,比如设定2A,如果超出了,也会迅速的切断,这是对电池端的欠压跟过压保护,大家可以看到响应速度非常快,我们基本设定时间最快在13个微秒,这个信号只要一发生就切断保护,当时实际使用的时候不会采用这么快的速度,一般大概在一秒左右,所以响应速度保护还是非常快、非常安全的。这是EMC,就是芯片本身要通过EMC设计,我们达到世界标准,世界标准就是电压峰值在四千伏,在5K到100K两个频定做测试,电源端跟IO端都做了测试,这个要求是非常高的,是需要每个芯片都要达到,包括电路设计,所有产品都要达到这个要求。

高特未来的roadmap是什么,大规模出货,第二块已经把前端芯片做了,第三步已经完成,今年下半年会大批量出货,我们未来要做是什么?会做传感器,真正放到电芯内的,这就是高特的整个roadmap,高特一直在做电池管理系统,可以说走在了行业的前面,不但做了产品,而且延伸到了芯片。谢谢大家。

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