鉅大LARGE | 點擊量：1603次 | 2021年11月26日
高特電子謝建江：基于電池全生命周期應用的電池管理系統(tǒng)
2017年四月24-二十六日，第七屆我國國際儲能大會在蘇州香格里拉酒店圓滿召開，來自中、美、英、德、澳、日、韓等國家的1400余位嘉賓到場參會。大會共邀請140余位行業(yè)專家與公司代表，圍繞產業(yè)熱點話題，發(fā)表了一系列精彩演講，我國儲能網將向讀者傳遞本次大會最具價值的聲音。
大會期間，杭州高特新能源技術有限公司副總經理謝建江在“儲能電站暨微電網專場”，以《基于電池全生命周期應用的電池管理系統(tǒng)》為題發(fā)表演講，現(xiàn)將演講重要內容公布，以饗讀者。
杭州高特新能源技術有限公司副總經理謝建江
謝建江：謝謝大家。匯報的內容大概包括四個部分：第一、全生命周期的應用；第二、電池標準模組的分布式BMS的設計事項；第三、滿足全壽命周期應用的主動均衡技術；第四、在梯次利用及分布式BMS案例的分享。
這個圖是一個比較理想的動力鋰離子電池全生命周期應用的效果圖，我們希望從動力鋰離子電池到后備退役的電池到商業(yè)儲能，到高電壓、大電流的商業(yè)儲能到后備電源，甚至低電壓的商業(yè)儲能，最后到電池的回收，完成整個電池的生命周期，但是我們了解現(xiàn)在實際的情況并不理想。到2020年我國退役的電池將達到十幾GW，到2025年退役電池的總量達到100GW，這是一個非常龐大的數(shù)字。
面對這樣龐大的數(shù)字我們怎么辦？地球只有一個，我們要合理利用資源。所以現(xiàn)在大家都在關注梯次利用。我們這兩天的會上也交流了很多梯次利用的情況，到目前為止針對梯次利用的儲能技術，或者梯次利用的相關政策更加少，出臺的相關政策大多是規(guī)范了梯次利用的標準，以及作為車廠，動力鋰離子電池廠回收電池的重要責任落實，缺少具體的其他政策。
剛才冀北院的李經理也講了，目前梯次利用技術仍然處于技術驗證和項目示范階段。這是我們公司實際做的一個基于磷酸鐵鋰離子電池的生命曲線，通過這個圖我們可以看到，整個磷酸鐵鋰離子電池的生命曲線相對線性還是非常好的。我們看到第一條紅線就是70%，這個時候電池從車上退下來，我們繼續(xù)做測試，當它容量達到30%的時候，70%到30%之間的衰減的曲線還是非常線性的。所以這個圖我們可以非常有信心的證明這一點，動力鋰離子電池的退役電池，用在儲能上是非常有效跟可靠的。
符合Exic IIB T4 Gc防爆標準
充電溫度：0~45℃
-放電溫度：-40~+55℃
-40℃最大放電倍率：1C
-40℃ 0.5放電容量保持率≥70%
這個電池也是一個三元鋰離子電池，因為它的曲線跳水特性，所以在后期的梯次利用上面有很嚴重的波動性。
現(xiàn)在有關動力鋰離子電池的梯次利用，要經過以下幾個過程，第一要將退役電池，或者將退役電池的PACK包從車上拆下來；第二要把PACK包拆解到單體；第三要對單體進行篩選，或者對單體進行容量測試；第四要根據重新測試的電池數(shù)據重新重組，或者重新組成PACK，再到后面的梯次利用，從這四個過程來看，梯次利用的成本是非常高的?？赡茉谧囊灿须姵貜S的代表，大家現(xiàn)在也在討論這個問題
所以梯次利用的難點也呈現(xiàn)在我們面前，如何將動力鋰離子電池PACK的拆解、重組包括性能的評估變的簡單可靠，如何讓整個儲能動力鋰離子電池的梯次利用的商業(yè)模式和產業(yè)鏈能夠打通，所以我們要在這些方面，尤其對電池的性能，以及對電池的PACK的重組、評估方面做大量的工作。
經過這幾年高特在動力鋰離子電池的大量研究基礎之上，我們提出從BAM式的技術入手，去解決動力鋰離子電池梯次利用的技術難題。第一部分我們通過模組級的電池管理系統(tǒng)，組成模組級的電池模組，然后有多個模組再組成一個電池PACK。第二部分，我們在動力鋰離子電池初期利用的時候，預留主動均衡的接口，包括對已經退役的電池新增主動均衡的模塊。
第三，因為我們已經在模組中集成了電池管理系統(tǒng)，這個電池管理系統(tǒng)我等下也會講，我們是一個分布式的電池管理系統(tǒng)，就是在二次拆解的時候，它只要拆解到整個模組，不要拆解到每一個單體，這樣我們在進行動力鋰離子電池梯次利用的過程當中，可以大量的減少我們拆解的成本，從而延續(xù)動力鋰離子電池BMS的一些數(shù)據。
我們可以看這個圖，現(xiàn)在我們BMS的整個架構，最下面是整個電池組，組成了一個PACK包，這個PACK包內我們有若干個從控模塊，假如按照主從式的架構，這個從控模塊我們要通過電池接入引線，引線到從控模塊上面，若干個從控模塊再向上一級的主控模塊進行數(shù)據通訊，所以在實際的PACK的成組過程當中，BMS的安裝包括BMS的線束安裝，其實占用了整個PACK工藝很大一部分的工序。
我們公司提出的BMS架構，就是我們把電池的PACK分成若干個模組，這里我們把它分成了比如說四個單體或者六個單體或者八個單體作為一個單組，我們在每個模組里面集成了我們的分布式電池管理模塊，這樣做的好處是什么呢？地我們將從控模塊集成在我們電池模組以內，采集線束固化在模組結構中，省去了采集線束。讓從控模塊成為電池模組的一個構件，在PACK的成組過程當中，整個線束一次完成，不要再進行二次線束的連接。
第三個，我們把這個模組做成了一個單體的模塊化的BMS，我們在每個模組里面，因為我們有這個BMS，所以我們的BMS又跟一般的模塊化的BMS沒有CPU的有本質的差別，我這個模塊的分布式的BMS有CPU我們記錄了整個動力鋰離子電池在整個過程中的充放電次數(shù)，SOC衰減的數(shù)據，所以我們在進行梯次利用的時候，我們可以一次性將電池模組進行組合，我只要讀取一下各個模組實際的SOC的數(shù)值，按照不同的數(shù)值進行分類，很快的就可以進行二次的梯次利用。
這個圖比較形象的表示了原先上面一排，是接了一個電池管理系統(tǒng)，這個電池管理系統(tǒng)可能要很多的線束，接到一個主控模塊，現(xiàn)在我們把上面一層接到一個主控模塊上的BMS打散成了4個分布式電池管理模塊，這4個分布式管理模塊，我們通過工藝的形式，直接安裝在整個電池模組之內，當我二次利用的時候，或者我動力鋰離子電池退役的時候，我直接讀取一下各個模組的SOC的情況，直接根據SOC的數(shù)值進行二次利用。這樣的話就防止了頻繁的拆解，以及頻繁的進行容量診定的工作。
這個是分布式電池管理系統(tǒng)的主控模塊，這個是電流傳感器模塊，我們整個分布式電池管理系統(tǒng)，有分布式電池管理模塊，加主控模塊，加雙向主動均衡模塊構成，這里我們再介紹一下主動均衡的技術，最左邊我們可以了解這是一個新的單體電池，它做循環(huán)測試它可以做到非常理想的數(shù)據，但是當它成組以后它的循環(huán)壽命，包括它的放電深度已經大打折扣，當它運行一段時間以后，我們已經看到了它的一個衰減速度在加速，當它加速以后，動力鋰離子電池的SOC可能已經低于80%，這個時候必須退役。所以我們認為電池離散性是電池組性能衰減的重要原因，改變衰減的最有效的辦法就是主動均衡。
這個圖看到，這是沒有進行主動均衡的一個實際充放電的曲線，尤其在放電的后期，電池單體之間的離散性還是比較大的。
這是現(xiàn)在的一些主流的主動均衡技術的介紹，我們高特的主動均衡的技術，采用的是雙向的無損的主動均衡，簡單的說我們可以實現(xiàn)電池模塊之內，或者整個電池簇之間的任意單體間的能量轉移，我可以把能量高的單體轉移到能量低的單體當中，因為這個均衡技術也省去了供電電源跟均衡母線合二為一，我們沒有額外的新增均衡的線束，所以在我們安裝跟后期維護過程當中，也變的非常方便。我們雙向均衡的效果一般是單向均衡的兩倍。
這是一個主動均衡的實際效果，上面這個圖是沒有主動均衡的，它的這個放電的時間以及放電的容量，我們可以看到，充電容量跟放電容量大概在60到65Ah之間，進行主動均衡以后我們可以看到經過31次主動均衡，它的充電容量恢復到99.6Ah，放電容量恢復到101Ah，容量的恢復接近于50%，這是非常有效的。而且這里只做了30個循環(huán)，假如電池上一直在跑，或者儲能每天在進行充放電工作的話，它的效果會更加明顯。
這里我跟大家分享兩個電池管理系統(tǒng)的案例，第一個是主動均衡的案例，這個就是剛剛冀北院的李經理也介紹了，風光儲9兆瓦的梯次利用的項目。這個項目的BMS，就是利用了主動均衡的技術。這個模組是直接從公交車上退下來的，退下來以后我們簡單的對這個模組進行了一個測試，有關這個模組里面容量衰減特別低的個體進行了篩選，把它挑出來，大部分我們沒有去拆解原來的單體，就繼續(xù)使用。它的單體容量差異在15%或者20%之內的，我們給它加裝了雙向主動均衡模塊。這個就是在均衡之前跟均衡之后的數(shù)據比較。均衡之前充放電過程當中有個別單體衰減的比較快，我們進行主動均衡以后，整組的充放電的深度包括時間，得到了大幅的改善。
這個數(shù)據更加能夠說明，上面這一條曲線是在沒有進行主動均衡之前的放電時間，大概放電40分鐘，這里是在進行大倍率放電。進行8次完整的充放電以后，可以看到最下面的這條曲線，它的放電時間已經達到了將近一個小時。而且我們也可以看到在均衡之前，它的壓差最大達到100個mV，我們進行8次主動均衡以后，這個電池單體之間的壓差在20個mV之內，所以說這個效果也是非常明顯的。這個項目目前也在執(zhí)行跟投運階段。
第二個我們是基于分布式電池管理系統(tǒng)的箱式儲能系統(tǒng)。我們這里的儲能系統(tǒng)的電池，我們用的是電池廠的B類電池。這個電池因為存在著很大的質量風險，所以我們在設計的時候，我們做集裝箱設計的時候，我們做了一個標準的分布式的模組設計，我們可以看一下這個圖，這個模組單體容量達到340Ah，我們這里是采用了8串的結構。分布式的電池管理模塊我們安裝在這里，這個模組與單體之間的線束是沒有的，我們在進行PACK的工藝過程，我們有一個硬連接的技術，我們每個單體的正負極柱是通過點焊的方式，直接連接到中間的連接條，這個連接條的末端就是一個端子，直接插到整個的分布式電池管理模塊上面，整個模組最后安裝，我們就用插箱的方式，一個一個安裝，每一層兩個，這個電池架一共12個模組，最后我整個蓋起來，相當于每個模組，模組與模組之間沒有電池連接線的干擾，模組與模組之間直接通過電源線跟看線進行連接，外面非常干凈。假如用傳統(tǒng)的主從式的結構，我這里只有8串電池，我要最大效率的利用我的電池管理模塊，我要把3個或者4個插箱共用一個電池管理模塊，這樣的話我插箱與插箱之間就有電池連線的影響。在后期使用的時候，假如這個插箱有問題，我首先要把電池的采集線束進行分離，然后把模組退出來，再換上新的模組。這個時候換上去的這組電池，跟模塊里面存的數(shù)據不一一對應的，所以儲能的效益計算就大打折扣。
假如每個模組拆下來的時候，把BMS也拆下來，換上去的時候BMS數(shù)據也在里面，上一期的主控模塊可以直接讀取換上去的BMS的數(shù)據，基于跟已經在上面的BMS的分析，來決定整個電池組或者儲能系統(tǒng)的放電深度或者放電時間，這樣可以大大提高整個儲能的效率，最終體現(xiàn)在整個儲能的效益上面。
這個是我們在整個工藝過程中的分解圖，最終我們會把這個模塊完整的放在里面。
高特電子目前的創(chuàng)新分布式電池管理系統(tǒng)加上主動均衡技術，在電池制造成組以后，每個電芯都可以隨時讀取，通過有效的主動均衡，也可以讓電池的性能跟壽命得到最大程度的保障，這里也給大家一個信心，想做梯次利用的，想做儲能的，大家放心的去做，由我們作為你們堅強的后盾，謝謝大家。
（本文根據現(xiàn)場錄音整理，未經本人審核）
