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高特電子徐劍虹:主動(dòng)均衡技術(shù)是未來儲(chǔ)能電池管理系統(tǒng)的趨勢(shì)

儲(chǔ)能系統(tǒng)當(dāng)電池組用到一定深度的時(shí)候,尾部放電時(shí)候電池的離散性就會(huì)表現(xiàn)出來,所以為了保證電池組深充深放容量必須要求儲(chǔ)能BMS具有很強(qiáng)的均衡管理能力,所以結(jié)論主動(dòng)均衡技術(shù)是未來儲(chǔ)能電池管理系統(tǒng)的趨勢(shì)。

——杭州高特電子設(shè)備股份有限公司總經(jīng)理徐劍虹

2020年八月26-二十八日,由我國能源研究會(huì)、中關(guān)村管委會(huì)、中關(guān)村科學(xué)城管委會(huì)指導(dǎo),我國能源研究會(huì)儲(chǔ)能專委會(huì)、中關(guān)村儲(chǔ)能產(chǎn)業(yè)技術(shù)聯(lián)盟、我國科學(xué)院工程熱物理研究所聯(lián)合主辦的“第九屆儲(chǔ)能國際峰會(huì)暨展覽會(huì)”在北京召開。峰會(huì)主題聚焦“聚儲(chǔ)能十年之勢(shì),創(chuàng)產(chǎn)業(yè)十四五新機(jī)”,同期舉辦儲(chǔ)能聯(lián)盟十年紀(jì)念論壇。北極星儲(chǔ)能網(wǎng)、北極星電力APP對(duì)本次峰會(huì)進(jìn)行全程直播。

在八月二十六日舉辦的“儲(chǔ)能創(chuàng)新論壇”上,杭州高特電子設(shè)備股份有限公司總經(jīng)理徐劍虹做了“主動(dòng)均衡技術(shù)是未來儲(chǔ)能電池管理系統(tǒng)的趨勢(shì)”的報(bào)告分享。

杭州高特電子設(shè)備股份有限公司總經(jīng)理徐劍虹

徐劍虹:剛才前面的專家都講的非常宏觀,都是一些儲(chǔ)能項(xiàng)目的應(yīng)用或者一些案例,我就講一些微觀的東西。

高特是做BMS的,BMS到底是干什么的,什么是BMS,大家的說法有很多,以我的相關(guān)經(jīng)驗(yàn),我把它總結(jié)了一下,BMS無非就是解決三個(gè)問題,一個(gè)是感知,感知電池的狀態(tài),這就是BMS的基本功能,不管測(cè)電壓、測(cè)電阻、測(cè)溫度,最后就是一個(gè)感知電池狀態(tài),我們想了解電池狀態(tài)什么樣,現(xiàn)在也多少能量,多少容量,現(xiàn)在健康狀態(tài)怎么樣,現(xiàn)在有多少功率,現(xiàn)在安全狀態(tài)怎么樣,這就是感知。第二個(gè)就是管理,有人說BMS是電池的保姆,那這種保姆就要去管理,管理什么,就要把這個(gè)電池盡可能用好它,最基本就是均衡管理、熱管理。第三個(gè)是保護(hù),保姆還要做一個(gè)工作,假如電池出了一些狀態(tài),它要去進(jìn)行保護(hù),我想電池管理系統(tǒng)不管大家怎么解釋,無外乎就這三個(gè)功能。

我們來看一下,有很多電池構(gòu)成的電池簇,又有很多簇構(gòu)成堆等等,當(dāng)很多電池在一起成組的時(shí)候,就會(huì)存在著離散性,由于電池制造的材料工藝存在著離散性,使用環(huán)境的離散性導(dǎo)致電池組性能不一致,一些電池?zé)o法充足或者無法放出足夠的電量。第二個(gè)環(huán)境,比如做電池模組的時(shí)候,周圍一圈溫度肯定比中間要低,哪怕其他參數(shù)完全相同,這個(gè)電池模組經(jīng)過一段時(shí)間循環(huán)使用,也會(huì)表現(xiàn)出差異性來。所以電池組非一致性或者離散性是電池運(yùn)行的一種必然表現(xiàn),這樣有可能導(dǎo)致整組電池容量下降,進(jìn)而導(dǎo)致電池阻有效可用壽命下降,這是一個(gè)嚴(yán)重的問題。我們可以看到兩個(gè)結(jié)論,第一個(gè)結(jié)論電池組實(shí)際有效容量小于實(shí)際單體容量,比如拔河,假如有一人一百公斤他就可以使出100公斤的力來,假如四個(gè)人都是一百公斤,他的合力不等于四百公斤,電池也是相同,有它的離散性,還有跑馬拉松,出發(fā)的時(shí)候大家在一條起跑線上,跑著跑著距離拉開了,電池也是如此。第二個(gè)電池組容量衰減速度遠(yuǎn)大于電池單體容量的衰減速度,就是電池廠在出廠的時(shí)候,告訴大家一個(gè)電芯在100%DOD情況下能達(dá)到4000次循環(huán),但當(dāng)成組的時(shí)候一定達(dá)不到4000次,這個(gè)大家都理解,大家可以看到我剛買的一組電池,新的時(shí)候是紅色的,西格瑪很窄,Q值很高,就是它的容量越來越小,離散性變得越來越大,這就是電池的正態(tài)分布所表現(xiàn)出來的時(shí)間曲線。

在儲(chǔ)能系統(tǒng)當(dāng)中有兩個(gè)重要的要求,第一個(gè)長壽命,對(duì)電池組壽命提出了很高的要求,我剛才記得前面的專家在說的時(shí)候是10年,我們國內(nèi)大部分在提15年的壽命,15年的壽命大家算一下,假如一年算300次,15年是多少,所以這個(gè)要求還是非常高的,我們認(rèn)為BMS能夠干什么?盡可能的去發(fā)揮每一個(gè)電池應(yīng)有的壽命,使得整個(gè)電池總的壽命盡可能達(dá)到設(shè)計(jì)的壽命,減少電池離散對(duì)電池組壽命的影響,這是BMS應(yīng)該做的一件事情,就是我剛才講的均衡管理。第二個(gè)在儲(chǔ)能系統(tǒng)應(yīng)用當(dāng)中,深循環(huán)是它的特點(diǎn),尤其是在削峰填谷應(yīng)用場(chǎng)景,多放出一度電多一分收益,也就是說我們會(huì)做80%DOD或90%DOD,儲(chǔ)能系統(tǒng)當(dāng)中用到這個(gè)深度的時(shí)候,尾部放電時(shí)候電池的離散性就會(huì)表現(xiàn)出來,所以為了保證電池組在深充深放條件下每個(gè)單體容量的充分釋放,必須要求儲(chǔ)能BMS具有很強(qiáng)的均衡管理能力,抑制電池單體間一致性的出現(xiàn),因此主動(dòng)均衡技術(shù)必將是未來儲(chǔ)能電池管理系統(tǒng)的趨勢(shì)。

高特一直在做電池管理系統(tǒng),這個(gè)大家都了解,我們?cè)?010年的時(shí)候就開始專注做儲(chǔ)能電池管理系統(tǒng),做主動(dòng)均衡技術(shù),這個(gè)是在2013年申請(qǐng)的專利,這個(gè)專利最基本的原理,就是在一串電池組當(dāng)中打個(gè)比方有兩百串電池成為一個(gè)電池組,剛才已經(jīng)講過這是個(gè)正態(tài)分布電池組,假如里面充放有20個(gè),在排序下挑出最高電壓10個(gè)跟最低電壓10個(gè),最高電壓可以放到BMS的供電電源母線,低的可以從母線充電,所以這就構(gòu)成了任何一個(gè)電芯向任何一個(gè)電芯進(jìn)行均衡的功能,大家看一下這是一串電池,假如有一節(jié)電池高,我可以把它放到供電母線,假如這個(gè)電池低了,可以從供電母線充電,假如把這兩個(gè)合并,大家看到任何一個(gè)電芯可向任何一個(gè)電芯轉(zhuǎn)移能量,這就是我們申請(qǐng)專利的拓?fù)湓恚浅:?jiǎn)單方便。為了提高系統(tǒng)的可靠性、安全性,降低故障率,降低系統(tǒng)復(fù)雜度、降低系統(tǒng)成本,芯片解決方法是解決主動(dòng)均衡的最佳路徑。

主動(dòng)均衡為何很難被大家接受呢??jī)蓚€(gè)原因,一成本高,第二個(gè)系統(tǒng)太復(fù)雜了,故障率會(huì)變高,為了解決這個(gè)問題,所以我們提出了芯片的解決方法。

我們主動(dòng)均衡芯片是從2018年開始,今年三月份小批量試制完成,研發(fā)了一個(gè)芯片,這是一個(gè)芯片組,這是個(gè)原理圖,這是一個(gè)雙向的反接電路,在這邊驅(qū)動(dòng)MOS管前端有一個(gè)芯片,在這個(gè)MOS管后端有一個(gè)芯片,這兩個(gè)芯片之間通過光交換信息,后端的電源由前端供應(yīng),這就是芯片的一個(gè)工作的原理,它的特點(diǎn)最高可以支持12串電池的能量交換,雙向同步皆是均衡,最高支持5A均衡電流,轉(zhuǎn)換效率可以達(dá)到85%,原副邊雙芯設(shè)計(jì),原副邊都有保護(hù),有一路獨(dú)立的DCDC電源輔助,這個(gè)是一個(gè)開關(guān)矩陣,芯片也可以驅(qū)動(dòng)這個(gè)開關(guān)矩陣。這是一個(gè)原邊的芯片,大家可以看到,第一個(gè)驅(qū)動(dòng)原邊的開關(guān)管,第二個(gè)驅(qū)動(dòng)副邊的開關(guān)管,當(dāng)然它的工作模式假如是充電模式,它是開關(guān)管,后面是同步整流,轉(zhuǎn)過來假如是放電模式,這是一個(gè)開關(guān)管,這是一個(gè)可逆雙向的開關(guān)驅(qū)動(dòng),這可以看到這是一個(gè)故障的信息,它是一個(gè)邏輯判斷,這是一個(gè)故障輸出信號(hào),大家可以看到具有了硬件功能安全模塊,我們對(duì)所有故障用硬件方式進(jìn)行判斷跟保護(hù)。這是個(gè)副邊的芯片,副邊對(duì)這里有一個(gè)電流,電流輸入之后ICD信號(hào)進(jìn)行比較,調(diào)節(jié)控制,輸出的電流,我們輸出的電流對(duì)電池端,不論充電還是放電都是恒流源,恒流源有一個(gè)好處非常安全,有些哪怕短路了,恒流源也不會(huì)導(dǎo)致過流的發(fā)生。這個(gè)保護(hù)是從這邊信號(hào)的判斷來進(jìn)行判斷,這是一個(gè)信號(hào)輸出,就是它可以通過這個(gè)告訴前端發(fā)生了什么,比如任何一個(gè)開關(guān)的損壞、過壓、過流等等,都可以進(jìn)行保護(hù)。

主動(dòng)均衡重要性能指標(biāo)工作電壓是10到32伏,支持電芯從1.2伏到4.8伏,涵蓋了目前三類鋰離子電池,工作的溫度從零下40度到正85度,這個(gè)滿足的車規(guī)級(jí)的要求。這是一個(gè)測(cè)試驗(yàn)證,這是充電時(shí)候的充電曲線,這是放電的曲線,綠色的是個(gè)電流信號(hào),這是開關(guān)頻率,開關(guān)頻率在零下40度到85度這個(gè)范圍內(nèi)它的變化是非常小的,基本可控,大約在正負(fù)2%的波動(dòng)。這是高低溫的曲線,從零下40度到正85度,這個(gè)誤差非常小,大約只有2%到3左右的誤差,這個(gè)是異常保護(hù),就是這個(gè)芯片自帶硬件級(jí)別的保護(hù)功能,假如電源欠壓或者過壓了,都可以實(shí)現(xiàn)快速的保護(hù),這是電流輸出,假如欠流跟過流,比如設(shè)定2A,假如超出了,也會(huì)迅速的切斷,這是對(duì)電池端的欠壓跟過壓保護(hù),大家可以看到響應(yīng)速度非???,我們基本設(shè)按時(shí)間最快在13個(gè)微秒,這個(gè)信號(hào)只要一發(fā)生就切斷保護(hù),當(dāng)時(shí)實(shí)際使用的時(shí)候不會(huì)采用這么快的速度,一般大概在一秒左右,所以響應(yīng)速度保護(hù)還是非???、非常安全的。這是EMC,就是芯片本身要通過EMC設(shè)計(jì),我們達(dá)到世界標(biāo)準(zhǔn),世界標(biāo)準(zhǔn)就是電壓峰值在四千伏,在5K到100K兩個(gè)頻定做測(cè)試,電源端跟IO端都做了測(cè)試,這個(gè)要求是非常高的,是要每個(gè)芯片都要達(dá)到,包括電路設(shè)計(jì),所有產(chǎn)品都要達(dá)到這個(gè)要求。

高特未來的roadmap是什么,大規(guī)模出貨,第二塊已經(jīng)把前端芯片做了,第三步已經(jīng)完成,今年下半年會(huì)大批量出貨,我們未來要做是什么?會(huì)做傳感器,真正放到電芯內(nèi)的,這就是高特的整個(gè)roadmap,高特一直在做電池管理系統(tǒng),可以說走在了行業(yè)的前面,不但做了產(chǎn)品,而且延伸到了芯片。謝謝大家。

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