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天邦達胡龍文:BMS助力儲能梯次利用電池發揮到極致性能

作者:中國儲能網新聞中心 來源:中國儲能網 發布時間:2019-05-09 瀏覽:
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中國儲能網訊:4月24-26日,由中國化學與物理電源行業協會儲能應用分會主辦的第九屆中國國際儲能大會在浙江省杭州市洲際酒店召開。在4月25日下午的“儲能電池與技術應用(下)”專場,深圳天邦達科技有限公司首席技術官胡龍文在會上分享了主題報告《BMS助力儲能梯次利用電池發揮到極致性能》,以下為演講實錄:

胡龍文:各位專家,各位朋友,下午好!我是來自深圳天邦達的胡龍文,深圳天邦達是鋰電池管理系統提供商,今天我就從梯次電池的電池管理角度談談我們的經驗。談梯次電池繞不開中國鐵塔,中國鐵塔2015年、2016年起就開始了大批量的梯次電池的試點,2018年實現了大規模的商用,我們天邦達有幸參與其中,截止目前為止,我們天邦達發了接近20萬套的梯次電池的BMS,到中國鐵塔的通信基站正在運行中,這個過程中我們有一些積累,所以今天做一個分享,也是希望能夠拋磚引玉。

我今天的介紹主要是三個部分:第一,對我們公司做一個簡單的介紹,希望增進大家對我們公司的一些了解;第二,介紹一下梯次利用的背景;第三,重點介紹一下梯次利用的方案以及我們BMS在里面承擔的角色。

深圳天邦達是2007年成立,目前有12個年頭,我們12年只做了一件事情,就是鋰電池的管理,從前期的一些鋰電池的保護板,到目前鋰電池的一些管理系統,這12年我們的產品線一直在延伸,我們的業務也一直在拓展,包括我們的一些質量管理體系也一直在完善。

我們的業務主要是四大方向:第一,消費數碼類的保護板。這里面包括手機、可穿戴設備以及筆記本這些里面的保護板。目前我們最大的終端客戶是華為,大家如果使用華為手機的話,華為里面我們去年一共做了8千萬部的華為手機里面的保護板。第二,工具類,就是電動工具和清掃工具里面的BMS。我們是向國內、國際一線的,像TTI、必勝、萊克的供應商。第三,通信基站備電和儲能相關產品的BMS。1,通信基站類,因為我們給鐵塔的發貨量比較大,目前基本上是國內發貨量最大的通信基站類的BMS提供商。2,我們也是在包括數據中心的高壓直流、數據中心的UPS以及分布式儲能這塊在做相關的一些BMS的試點、示范以及培育工作。第四,汽車,汽車里面含兩個,一個是48V啟停的BMS,另外一個是新能源的BMS。這是我們的四大業務。

我們總部是在深圳,在深圳光明,深圳南山有研發中心,我們在上海、天津、福州有三個辦事處。我們銷售額2018年是4個多億,近幾年都是呈現30%以上增長率的良好的發展勢頭。我們的質量體系,因為和國內、國際一線的企業合作比較多,所以體系也逐步得到了完善。我們有自己的工廠,我們整個公司有900多人,所以我們的產品都是自我研發、自我生產。

下面介紹一下梯次利用的背景。首先是政府政策的強力推動,這后面應該有兩個原因:第一個,是像現在汽車的動力電池在2018年已經是到了規模化的退役期,所以這些電池怎么樣得到資源的最大優化的使用,實現物盡其用,這個非常重要。第二個,這些電池如果不當的處理可能會引起一些環境的問題,這個我想也是政府政策強力推動的重要原因。

我們再看一下動力電池現在退役以及使用的情況。2018年后,這已經是規模化退役期,大家都講到2020年會有20多GWh退役的電池,那個數字可能大家不夠直觀,所以我這里列了一個比亞迪退役電池的情況。大家可以看到,比亞迪在2018年有800兆瓦時,逐年激增,應該到后面會持續高峰期。

使用情況,重點是中國鐵塔,它從2015、2016年做了多種形式梯次利用的試驗,包括在通信基站有規模化的商用,也是以比亞迪為例,比亞迪應該在2018年就交了超過250兆瓦時的梯次電池,應用于鐵塔的通信基站中。

我們再看一下梯次電池使用的一些模式,因為主要還是我們結合中國鐵塔的一些使用模式來講,可能不是太全。中國鐵塔目前主要是推三種模式,也就是退役的汽車動力的Pack包,首先做一個物理核容,如果這個物理核容直接符合Pack去使用,后續就應用于相關的一些直接Pack使用的應用場景。如果核容是不滿足直接使用場景情況下會再做一些拆解,這里面有兩種情況,一種情況是這個Pack包本身由方形的大電池組成,所以直接對方形的電池包進行分容、配組,最后形成一個像通信基站可以直接使用的電池包直接使用,這種我們稱之為單體使用模式。還有一些廠家,比如像比亞迪的電池,它會采用模組化的方式,可能在它當初設計Pack的時候就考慮到將來的梯次利用方式。所以模組被拆下來的時候,經過物理核容,如果直接能達到模組的使用要求,就進入到模組使用的模式。

三種使用模式各有特點:第一,單體使用模式,應該是對單體進行了分容、分選、配組,所以整個單體的一致性還是比較好的,所以現在應用起來基本上和原來早期的在通信基站這里面應用的新電池是類似的方式。但是單體使用的方式的另外特點,拆解的難度、工作量是有的,成本也偏高的。第二,與之對應的Pack方式,工藝最簡單,里面還是對單體一致性放松了一些要求,應用成本最低。第三,模組使用,是其他兩種方式的中間體,就是兼具了兩種方式的一些優點和缺點。

下面重點介紹一下,包括里面各種模式的一些電池管理。我們先來單體使用這個模式的場景,它的場景是通信基站的備電使用,大家目前對梯次電池在儲能的應用其實是有很多爭議的,不過大家對梯次電池在通信基站的備電使用場景應該還是非常認可的,并且認為這是一個梯次電池極佳的一個應用場景。為什么這么講?因為通信基站里面,中國的基礎設施,特別是電網的基礎設施是比較好的,所以中國的通信基站里面大部分時候是不停電的,我們梯次電池在里面應用環境是比較好的,原來是鉛酸電池,現在梯次電池利用之后這里面還能夠發揮我們鋰電池的一些特點,比方說它的循環性能,比方說大電流的放電性能,也比方說它的一些高溫性能,都是好于鉛酸。中國鐵塔也是最早做試點現在大批量使用,也都是在通信基站里面。因為經過了分選包括配組,所以在這個里面的單體使用模式大家可以看到,我們的BMS其實和原來三大運營商用于分布式基站微站的那些BMS是類似的,我們稱為一體化的BMS,就是說BMS以單板的形式,安裝于整個電池包中,實現電池管理的相關功能。簡單講哪些功能?就是這些列的基本的功能要求:1,需要對16節單體進行單體采樣。2,多路電芯溫度、環境、功率溫度采樣。3,電池充電、放電電流檢測和SOC測算。4,電壓、電流、溫度告警和保護。4,充電限流。5,休眠與喚醒。6,通訊數據上報。7,實時時鐘功能。8,歷史數據存儲功能。9,電池組加熱,10,電池防反接。這種使用方式和原來我們三大運營商標準的48V的鋰電包是類似的。其實在中國鐵塔,中國鐵塔的方式其實比原來三大運營商的使用方式場景更復雜,為什么這么講?因為原來的微站的電池電流也是比較小的,它的備電電池容量都是20安時—50安時,但是中國鐵塔管理的是中國近200萬個室內和室外的宏站,這些站里面負載電流是很大的,它必須要有一定的備電時間,所以它的電池容量需求很大,包括原來鉛酸一般是600安時或者1000安時一個站,鋰電池之后會更少一些,但是也達到了兩三百安時到五六百安時不等。

為了考慮鋰電池包括裝配、也包括運輸、維護等需求,所以鋰電池目前像中國鐵塔發貨量最大的基本上都以100安時為主。100安時為主,意味著多個電池組要并聯使用。這里我畫了一個通信基站不間斷直流電源的示意圖,在這里面畫了兩組,實際上在通信基站會有2組甚至到10組不等,電池的容量現在以100安時為主,從50—200甚至300安時的都有。電池之間,因為是相互備份,也是擴容使用,所以相互之間是不通訊的,同時BMS也不和里面的整流模塊就是這里面的電源通訊,邏輯上是不連接的,物理上又是連接的,相當于必須和電源、和負載各方面整體協同的工作。所以這里面就對BMS其實比分布式微站提出更高的要求,也就是說BMS各自管好自己的同時,它要來適應這種并聯的應用場景,其實對里面的一些器件選型會提出更高的。比方說像這種通信基站里面都是用充放電,就是用MOS對管來實現解決方案的,所以對這些器件選擇其實提出了更高的要求。像全國有200多萬個基站,這里面電源廠家很多,這些電源廠家少說也有十來家,這些電源廠家每家的充放電電壓,包括開關電源的調壓限流,就是電池限流的方式不一樣,所以BMS都需要來適應各種調壓限流的方式。

還有針對梯次電池,因為相對來講它的安全性其實一直存疑,所以中國鐵塔也是要求所有的梯次電池BMS都必須具備信息上報功能,就是說所有的梯次電池的數據都能夠在整個鐵塔的運監平臺上都能夠實時監控。所以BMS也需要提供與FSU即通信基站采集器里面的一些連接,而這個通信基站采集器其實在全國也有接近20個廠家,所以這就是為什么對BMS提出要求,必須和各個廠家的FSU實現協議對接,實現信號和告警的上報。

綜合來看,這種單體使用比原來在三大運營商里面試用的原來的通信鋰電池對BMS來講提出更高的要求,當然現在因為也是量和梯次電池價格的原因,包括整個行業、包括我們的BMS同行,以及一些電池廠在做選型上,實際上進入了非理性的選擇,也就是說大家不是太看中BMS本身的可靠性,而是更多追求成本,我覺得這是一個誤區,所以我此呼吁大家要理性、健康的來看待梯次電池和通信基站的BMS。

剛才講了單體使用模式,我再講一下我們的模組使用模式。模組使用模式實際上應用場景是類似的,都是通信基站,所以前面所有的功能必須具備,同時它其實又需要一些更高要求的功能。右下角是一個在實際通信基站里面比亞迪電池的實際使用圖,這里邊左右是兩個電池組,左邊那個電池組上面是8串、下面是8串,所以它的情況比前面單體模式更復雜,就是說它必須進行現場安裝,所以BMS基本上都是采用分立式的結構,比亞迪的電芯包括其他廠家的電芯有很多種組合,有8+8的,甚至還有7+9的,所以我們的BMS,如果看上面的圖,我們在采樣這塊,實際上是做了4組  隔離,這樣的話我們是1—5、6—10、11—15、16—20,我們是做了四組隔離,能實現各種組合,來適應這種模組的使用。這是一個特點,就是BMS對采樣提出了一些要求。

由于這種模組里面檢測手段的局限,實際這種模組內本身單體的一致性,也包括組與組之間的一致性,是比前面那種模式是更差的,我們也是特別的為了這種梯次電池,包括和電池廠家,包括我們自己做了很多測試,所以我們也形成了自己的一些更加專用化的均衡算法。因為有一個好處,通信基站基本上是長期浮充模式,所以實際上可以做一些被動均衡,并且長期的被動均衡,消除不一致性的問題。

因為都是動力電池下來的電芯,所以它的功率其實都是很大的,它是功率性的電池,同時它本身的充放電電流,它的電池容量也是很大的,所以都要求我們的BMS,像我們最大的解決方案能支持150安培持續的充放電電流,并且在它也是以MOS管的形式實現的,這里面對BMS也提出了要求。包括它的短路電流和反接電流的設計,也提出了更高的要求。

包括前面的單體使用模式、還有模組的使用模式,現在我們也是大批量的在通信基站使用,目前來講,應該這兩種模式從技術上、從經濟性上應該是可行的。我們其實也參與中國鐵塔做的其他一些包括大Pack使用的模式,當然這些模式主要是一些示范站點,都還沒有形成批量。

我們里面參與的主要是以下幾類場景,包括削峰填谷的儲能場景,也包括基站備電的場景,還包括移動補電車的場景。這里面相當于直接把電池包在相關的儲能或者基站使用,所以這里面它的特點是,不是標準的51.2V,這種梯次電池是高壓的電池組。各家的電池電壓平臺都是不一樣的,它的應用場景也比較多,我們BMS在這方面做的一些工作就是,包括我們BMS通過主從方案,來適應各種電池電壓平臺和各類的Pack包的接口,同時我們要靈活的去接入各種PCS,來實現包括控制策略、包括后面對它的分級保護策略。我們在這里面還做了一些自學習的算法,怎么樣內置一些像梯次電池的壽命模型和算法,因為真實評估梯次電池它的壽命,包括它還能用多久,這樣的話其實涉及它的經濟性。我們也是做了現在箱式控制器的方式,就是里面有一些功率器件包括顯示屏,更方便的使用。因為這塊也是處于試用和示范點,所以不具體介紹。

總結一下,我們參與中國鐵塔的幾種模式中,前兩種模式,包括單體使用的模式啊、包括模組使用的模式,剛才我講了從各方面,既有一定的可行性,包括經濟可行性,但是在Pack使用方式,實際上我們還要做更多的探索,去探索最適合它的場景,在這種場景下又具有經濟性,具有經濟性的時候解決梯次電池特別是大Pack電池的安全性、以及電池不一致性這些問題,都有待于包括我們BMS廠家、包括我們大家同行來做更多的工作。我相信道路是曲折的、前途一定是光明的。謝謝大家!

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