9月7—9日，由工業(yè)和信息化部節(jié)能與綜合利用司、國家能源局能源節(jié)約和科技裝備司、浙江省能源局聯合指導，中國化學與物理電源行業(yè)協會聯合232余家機構共同支持的第十二屆中國國際儲能大會在杭州洲際酒店召開。本次大會由中國化學與物理電源行業(yè)協會儲能應用分會、中國科學院電工研究所儲能技術組和中國儲能網聯合承辦。
大會以"共創(chuàng)儲能新價值，共建市場新格局"為主題，聚焦新型儲能安全持續(xù)發(fā)展，針對儲能產業(yè)面臨的機遇與挑戰(zhàn)等重點、熱點、難點問題展開充分探討，分享可持續(xù)政策機制、資本市場、新型儲能系統集成技術、供應鏈體系、商業(yè)模式、標準、示范項目應用案例、新產品以及解決方案的普及和深化應用。
來自行業(yè)主管機構、國內外駐華機構、科研單位、電網企業(yè)、發(fā)電企業(yè)、系統集成商、金融機構等不同領域的913家產業(yè)鏈企業(yè)，3317位嘉賓參加了本屆大會，其中154家企業(yè)展示了儲能產品，可謂盛裝出席，涵蓋系統集成、電芯、PCS、BMS、集裝箱、消防、檢測認證等新型儲能全產業(yè)鏈。
大會組委會邀請杭州高特電子設備股份有限公司總經理徐劍虹做《儲能 BMS 的重要性及發(fā)展趨勢分析》主題報告。以下為發(fā)言主要內容：
徐劍虹：在座的各位都是老朋友了，又一次見面了。。
因為我是搞技術的，所以每次講的時候，都講了很多技術的東西，大家說可能有很多的干貨，我想今天也是給大家講一些干貨的東西。
第一，這幾年儲能的發(fā)展，但是這部分大家講的很多，我就翻過去了。
我們是做電池管理系統的，電池管理系統是什么呢？對于鋰電池來說，不管是做車，還是做儲能電站，還是做后備電源，都離不開電池管理系統。電池管理系統，簡單來說就是車輛電池的電壓、電流、溫度、計算這個電池的狀態(tài)，對這個電池進行管理和保護。
（PPT圖示）這是我經常講的一個圖，看似很簡單，但是很重要，為什么呢？在儲能系統當中或者在車當中，或者在后備電源當中，其實電池就是一個儲能元件，什么叫電池？就是裝電的水池。這個電池是一個黑匣子，我們不知道里面發(fā)生了什么，我們在用它的時候，其實圍繞著電池所有做的事情，不管是BMS也好，或者是EMS也好，或者說PCS也好，其實都是圍繞著這個電池的使用而做的控制系統，控制系統無非是三個要素：感知、決策、執(zhí)行，BMS就是一個感知的元件，這就是BMS的核心。
BMS擔當的是三大功能：
一個是感知，感知這個電池的狀態(tài)，這個電池到底怎么樣了？我們描述這個電池狀態(tài)用SOX描述，當年我們還提的很早，記得在2006年的時候我們就提出來，是否有很多維度去描述這個電池的狀態(tài)？比如SOC、SOE、SOH、SOP、SOS，SOS是我們在2017年提出來的，大家可能對SOC、SOH比較熟一些，SOP在車里面用的比較多一點，但是在我們儲能系統當中忽略了這個參數，但實際上在使用的時候，尤其在調頻應用的時候，我要給電池充電跟放完接近20%—30%SOC的時候，我還要給它放電，其實就面臨SOP的問題，但大家并沒考慮太多。SOS是電池安全狀態(tài)，這個參數也非常重要，但現在還沒有很好地描述它。
第二個BMS的功能是管理，簡單而言就是均衡管理和熱管理。
第三個是保護，電池系統的異常保護。
BMS所有要做的工作，就是為了儲能系統的三個需求，即安全、可靠、經濟。
電池管理系統可能大家了解很多了，比如汽車大家了解的最多，通訊電源到儲能，儲能的電池管理系統有別于通訊電源，有別于車，基本上分了這三大塊，儲能的電池管理系統有它的特殊性，這個特殊性就是儲能的運行環(huán)境的特殊性：第一，高電壓，電池簇電壓往往高達700V，目前在做的基本上是1500V，電動汽車就300多V，大巴也就700多V；第二，大電流，每個簇的電流可以高達100-300安培，對于整個系統可能高達1000多安培、2000安培；第三，深循環(huán)，我們要求儲能要有收益，它必須要有更多的充放電深度，一般要求80%，甚至有些達到了95%，而車往往沒有這樣的要求。2019年的時候上海對所有運行的私家車做了個統計，平均充放電DOD深度不超過30%，所以這是非常低的，所以車沒有DOD的問題。多電芯，我們拿280電池來說，一個2.5兆瓦時的儲能系統需要有2778個電芯，我們去看，在一個集裝箱系統的儲能電站，一個柜機基本上3000—5000個電芯，所以里面有大量的電芯。
這樣就帶來幾個問題，對于一般的儲能系統，在有限空間內電池組儲能容量往往為數兆瓦時，變換功率為數百千瓦到數兆瓦。比方說調頻的，可能2C，一個3兆瓦時的集裝箱柜可能瞬間需要有6個兆瓦的功率，需要大量電池串并聯。在一個儲能單元中，往往有多組電池簇并聯成電池的陣列，涉及到了多個控制單元的協調、系統的拓撲復雜、布線復雜。使得儲能系統具有直流側電壓高、功率大、電池數量多、電磁環(huán)境惡劣、干擾嚴重、數據龐大、控制復雜的特點，所有這些特點是車所不具備的。所以為什么我們說做車的電池管理系統跟儲能電池管理系統有很大區(qū)別的原因，這樣就對BMS電路的原理、和布局布線設計、抗干擾EMC設計數據處理能力、相應速度等等提出了極高的要求。同時，也對整個儲能系統的布局布線、接地設計等也提出了很高的要求。我們經常發(fā)現在一個儲能系統當中，會發(fā)現它的信號完整性很差，環(huán)境干擾很嚴重，我們發(fā)現只要把它的接地或者布線還一下就好了，但是這個往往在我們的儲能集成設計廠家是被忽略掉的，所以就導致了后期運行的安全隱患。所以需要考慮它的布局布線，需要考慮信號的相互耦合、屏蔽等等。
儲能系統的充放電特性，因為我們在開車的時候，不會把這個車開到電量沒有，所以大家不會關心這個電池的一致性。但是當電池充放電到末端的時候，這個電池的一致性就會對充放電的能量做出了限制，所以為了保證電池簇內單體電池性能一致性，就必須要求儲能電池BMS具有很強的電池均衡管理能力。對于一個280的電池而言，1%的偏差就意味著2.8Ah，大家想象一下，電池生產完要篩選成組，在這個篩選過程當中要控制到1%，其實篩選成本非常高。我記得有廠家跟我說，由于考慮到成本因素，有可能把篩選的過程進行簡化，降低成本。但這就帶來一個問題，后期電池的離散性怎么辦？所以1%的差異2.8Ah，而被動均衡難以起到容量差異改進的效果。
為了保證電池的使用壽命，溫度的控制非常重要，必須細致地設計系統的熱管理。尤其對于調頻調峰應用的儲能系統，由于高倍率的充放電將導致電池發(fā)熱嚴重，且不均勻，加快電池性能衰減，最終縮短電池使用壽命。熱管理設計包括電池模組的熱設計，系統散熱風道設計，BMS熱管理控制策略等等。近兩年液冷系統大量應用，很好地改善了熱管理。昨天我跟夏教授還談到了電池高倍率充放電對于電池壽命的影響。
同樣，電池溫度異常往往是電池性能劣化和熱失控的前兆，對電池溫度監(jiān)測極為重要，為避免電池異常溫度監(jiān)測盲點往往需要電池溫度監(jiān)測到每一個電芯的要求，這也是一個特殊的設計要求。
當多組電池并聯使用的時候還會出現環(huán)流的問題，而車沒有這個問題，因為普通的乘用車就只有一個電池包，不存在環(huán)流。
由于系統的復雜性，多種數據的接口和大量數據的接入，要求BMS控制單元具有復雜的協議促冷能力和響應速度，對處理器、軟件架構、代碼質量提出了較高的要求。如IEC61850接入協議，數據保存和故障追溯、系統冗余等等，也都是非常復雜的系統。一般要求對這個數據進行3-5年保存能力，如果滿足全生命周期的保存則至少需要具有15年以上的數據的保存能力。現在儲能電站也發(fā)生了一些燃燒事故，我不知道大家有沒有關心過，一旦儲能電站燃燒了之后，很難去分析它是怎么燒起來的，為什么會燒起來的。原因就是我們沒有足夠多的數據，一旦燒完了，其實現場所有的數據的保存都沒有了。而傳到遠程EMS上數據顆粒度太大，根本起不到對這個數據分析的作用，所以這也是一個要求，如何去保存數據？包括故障數據的記錄，我們在電力系統以前講的錄波儀。
在調頻應用中，對數據響應速度也提出了很高的要求。目前集裝箱電池數據完全上送一次大約需要10秒鐘，我不知道有沒有實際去看一下，現在每一簇基本上都是用碳通訊，而碳通訊一簇通訊速率基本上在1秒鐘，而從主控再送到上面的急控單元，如果有10處就意味著有10秒鐘，而調頻的應用往往要求響應時間小于100毫秒，這就是一個安全的隱患。
由于儲能系統對于安全性、可靠性要求極高，所以對BMS也有較高的可靠性系統容錯和功能安全的要求。
儲能設計的壽命一般15年，相應對儲能BMS壽命也應該要求15年，但是目前所有的BMS相關標準都沒有壽命的要求，這是一個存在的問題。所以我們說，在對BMS這個產品提出的系統要求的時候，應該有一個MTB的要求，或者定義一個年故障的要求，比如要求年故障率小于100，可能現在達不到，我們目前實際情況大概在200個ppm左右。
同樣，儲能BMS還應該具備達到ULS-61508功能安全的要求，就是在我的一個系統當中，如果部分電路或者器件發(fā)生故障的時候，整個系統應該保證正常的運行或者至少不能出現致命的故障，這是它的功能安全的本意。在車上有對應的標準，就是ISO26262，但是在儲能系統當中目前還沒有提出這樣的要求。
儲能系統的安全問題是儲能產業(yè)發(fā)展的痛點和難點，一直沒有被解決，所以電池安全狀態(tài)的分析和預警是未來BMS一項極為重要的要求。
我剛才大概講了一下，儲能系統的BMS針對于儲能的應用場景大概所需要滿足的一些條件，我這里簡單講一下車，大家可能說車的要求是否很高？確實很高，車的要求溫度范圍寬，溫度損變、振動、防水等等環(huán)境要求，而且有規(guī)范性要求。打個比方， 16949 ，AUTOSAR，UDS，26262等等，這是它的要求。車有車的一套規(guī)范要求，儲能有儲能的一套規(guī)范要求，兩個要求是不一樣的。從系統的復雜度來說，儲能要求可能更高一些。
針對儲能系統電池陣列的架構，對應的BMS，也需要針對電芯、電池簇、電池陣列設計三級架構與管理，以理清各層級的關系，確保系統運行的安全、可靠。
前面所有講的這些，都說明電池管理系統很重要，盡管電池系統占了整個儲能系統的占比極小，但是它很重要，就像人的腦袋，占的身體比重可能很輕，一個人腦大約就是2.5公斤，但是卻是人最最重要的一個部件。
儲能的BMS發(fā)展的趨勢，第一個就是安全，我始終認為安全永遠是第一位的，因為在我們儲能系統當中，一旦發(fā)生電池的燃燒、爆炸，不是一個電芯的問題，而是一個儲能電站的問題，所以這個很重要。
（PPT圖示）到目前為止，已經發(fā)生了41起有報道的安全事故，BMS已經在監(jiān)測的電池溫度和電壓，但是還需要解決測的準和算的準的問題。要提高BMS的抗干擾能力，確保數據采集的實時、準確，這是一個基本要求，但目前可能還是有一些問題，尤其對單體電池溫度的準確監(jiān)測，可以有效解決電池熱失控預警問題，其實電池熱失控有一個積累的時間，但我們實際情況存在測不到、測不準的問題。
（PPT圖示）這是一個電池模組，這是一個24串模組，但是電芯只有4個溫度監(jiān)測點，假定這個電池發(fā)生溫升了，這一點可以測到，但如果是這個電池呢？誰也不知道它的溫度多少。所以這是一個非常嚴重的問題，如果中間有一個電池發(fā)生了熱失控，大家可以想象，旁邊的4個溫度傳感器誰也測不到，當它發(fā)生了燃燒爆炸的時候旁邊才知道，這時候已經為時太晚了。所以剩下的沒有被監(jiān)測到的溫度的電池如果溫度過高了，發(fā)生了熱失控怎么辦？第二個，我們的溫度檢測點都放在了哪兒了？放在了848，就是匯流排上，它是鋁或銅做的，是良好的散熱體，也就是說導出來的熱量到848上的時候，相當一部分熱量耗散掉了，它的溫度又測不準，兩個問題疊加，導致了我們的溫度測試，平時看到的都是這個電池模組的環(huán)境溫度，而不是這個電池內部的真實溫度，這是一個行業(yè)的通病，是一個非常危險的事情，是一個重大的安全隱患。
在2017年高特提出了電池安全狀態(tài)這個詞，SOS是高特全球第一個提出來的。我們認為對電池的描述是多維度的，不光要了解它的容量、健康狀態(tài)，其實要了解它的安全狀態(tài)。就像我們人，可能會有猝死，但猝死你事先怎么去檢測？怎么去預警？讓他不再發(fā)生猝死。這是一個世界性難題，我們已經做了很多工作，初步模型已經有了，但是可能離工程的應用還有距離。
所以在BMS安全設計中我們提出了建議：
第一個，還是要采用專用的芯片，提高整個電路的抗干擾設計能力，這是非常重要的一點；
第二，我們建議要求采集每一節(jié)電芯的溫度，要求1：1，推薦采用N+2，就是12個電池有12個溫度采集點采電芯，有兩個采模組的接插件，因為這個接插件往往是溫度比較高的地方，而且接插件的氧化、松動，都會導致這個接觸電阻的增加而發(fā)生過溫，甚至發(fā)生燒毀。這也是一個安全隱患。
第三，當然是SOS。我們認為BMS應該具有電池安全狀態(tài)評估的能力跟安全預警能力。目前我們主要是測溫度，我們做了大量試驗。我們發(fā)現電池在熱失控過程中，如果在早期有這些熱失控的苗頭出現的時候，如果你把它停下來，實際上這個熱失控是可逆的一個過程。但是一旦到了熱失控真的發(fā)生，它是一個不可逆的過程，這是兩個不一樣的過程。所以這是非常重要的，如果能夠把這個做好，可能儲能電池的安全問題會得到一個根本性的突破。
第二個趨勢，主動均衡。
大家一直說均衡，均衡要解決什么問題？很多人說解決電池一致性問題，其實我們認為不是的，均衡的意義是在我使用這個電池系統，讓這個電池系統可充放電容量的最大化，我們開車的希望這個車跑的遠一點，我們用儲能的希望這個儲能系統能夠給我多放一度電，我多一份收益，這才是我們真實的目的。所以均衡的目的不能在于把電池均衡成一致了，而是在于把這個電池系統充放電容量最大化，這就是我們的定義。
圍繞這個我們專門提出了兩個公式，我們認為以后去平衡、評價BMS均衡能力的好壞，應該從這個角度去看問題，而不是它是不是把電源拉成一致了，因為我們發(fā)現你把電源拉成一致并不一定是容量最大的。
現有的均衡技術，比如被動均衡，我們的主動均衡是把高的那個電池放掉一點能量，從這個定義本身就可以看到，跟我的均衡的意義是相違背了，我的均衡的目的是要把容量最大化，而它把高的電池放低，表面上拉成一致了。顯然這是不對的。
由此就產生了很多的主動均衡的拓撲，也就是我們可以看到，有很多的均衡的拓撲，在儲能系統當中隨著單體的電池容量越來越大，電池差異的絕對值也將隨之變大，如280的電芯，5%的誤差就是2.8Ah，今年已經有廠家推出了將近400Ah的電池，原來說今年要推出400Ah的電池，現在看來可能會在400Ah以內。未來儲能系統越來越大的時候，實際上整體成本是下降的，但是帶來一個問題，單體容量做的越大的時候，你的一致性越難保證。這就是儲能系統對均衡的要求，可以想象，如果單個電芯到500Ah的時候，1%就是5Ah，而被動均衡我不說它的能量浪費了，但均衡電流只有200毫安，微不足道，根本無法滿足電池系統均衡壽命的要求，更何況被動均衡消耗了寶貴的能量。因此主動均衡技術已經成為必然的發(fā)展趨勢。
（PPT圖示）這是高特主動均衡的拓撲，比如這是一簇電池組1500V、410節(jié)電池，我們在每6個或者8個或者12個會有一個DCDC，我們的DCDC跟BMS供電電源交換能量，供電電源對一簇來說，所有BMS供電電源是一條母線。所以這個供電電源母線，同時擔當了均衡電流的均衡母線。如果有高的能量，我們把它放到了電源母線上，如果有低的電池，我需要充電的，我就把它從電源母線上充電。如果兩個圖一合并，大家就會看到，如果需要均衡的時候就把高能量的拿出一部分能量來給低能量的，實現了在整個簇之中的任何一個電芯到任何一個電芯能量的轉移，這個效率是非常高的，不存在模組的限制。
我們也做了大量的測算，我們測算完了之后，如果按照單體電池年衰減率為1.5%的話，離散系數也為1.5的話，標秤容量衰減到80%電池壽命終止，測算電池簇內運行壽命。單體電池到15年后容量低于80%，無均衡的時候大概9年，加上主動均衡之后，從第2年末開始主動均衡會啟動，在均衡期間有效期內電池簇容量始終可以保持在單體電池容量5%的差距以內，直到第14年，這個已經接近了單體電池的使用壽命。
在實際運行當中，由于不同的電池系統可能會有些差異，我們可以保守估算，測試的數據和計算表明主動均衡可以延長電池使用壽命大約20%，具有很高的經濟價值。很多系統集成商在初始投入的時候會看，可能初始投入的時候可能增加了投入，我可能不劃算，但是三年以后、五年以后你所帶來的損失遠遠會超過你當年的投入。所以主動均衡的投資回報率極高，是一個有意義的投資。
芯片的國產化。大家都知道，以前我們國內的電池產業(yè)非常發(fā)達，但是我們的芯片大部分依賴于國外，在2020年以前，我們國家每年的集成電路芯片的進口消耗了大約2000到3000億美金，中國市場消化了全球1/3的集成電路芯片，高端的芯片基本上被國外壟斷。BMS的核心是什么？它的基礎是芯片，但是我們一直被別人卡脖子。高特從16年開始在布局芯片，其實我們非常運氣，我們也沒有想到19年會有中美貿易戰(zhàn)，但是我們16年就布局了，這算是一個巧合。所以我們在18年就開始使用我們自己的芯片，我們，18年開始做主動均衡的芯片，到目前為止，在BMS應急電路上面除了MCU、方格等等這些通用芯片之外，專用的兩款芯片高特全部是自主的。所以高特成為了行業(yè)當中唯一的一家具有AFE和主動均衡兩款芯片的BMS供應商，全球唯一，使高特擺脫了BMS關鍵器件對海外的依賴，解決了卡脖子問題。目前高特正在進行電池傳感器芯片的研發(fā)。
（PPT圖示）這是前端采集芯片。這個芯片今年年底會有一個改版，改版完了之后會有一個重大的改變，可能今年年底會有一個發(fā)布，我們推出了全球第一款特別的AFE芯片。
（PPT圖示）這是我們的主動均衡芯片，完全自主研發(fā)，具有完全的自主知識產權，從拓撲原理到性能指標，都是全球領先的。
電池傳感器。技術的發(fā)展日新月異，無線BMS、電池傳感器已經擺到了發(fā)展議程，對未來BMS的探討和研究迫在眉睫。
2020年年初，歐盟通過了一項電池2030+的規(guī)劃，這是一項長期的規(guī)劃，在它的3.3里面有一個叫智能傳感器。就是說歐盟在制定2030電池規(guī)劃當中，明確提出了電池傳感器的規(guī)劃。
（PPT圖示）這是可能大家有聽說的，叫無線電池管理系統技術，比如這是原來電池的一個模組，這是一個現有的方案，后續(xù)會做到一個模組里面有一個芯片，這個芯片里面就通過無線發(fā)射給上面的主控。這就是現在海外推出的無線電池管理系統的技術方案，很顯然，這個技術方案比原來近了一步，省去了從分控到主控之間的通訊跟電源線路，但是我們認為這還不夠。
很顯然，現有的電池管理系統面臨著技術發(fā)展瓶頸：
1、現有的電池管理系統所采集的電壓和溫度都是電芯的外部參數，剛才已經說到了溫度的采集。因而存在兩大無法克服的問題：
1.1，無法采集電池內部溫度，因而無法真正知道電池內部的溫度變化，以至于電芯發(fā)生內部熱失控，短路情況無法及時給予安全預警，這是非常嚴重的問題，這個關乎電池的系統安全。
1.2，無法真正計算里面的狀態(tài)，你沒有采集到真實的溫度就沒有辦法安全運行。
2、現有的電池管理系統需要通過采集線束采電壓和溫度，由于大量采樣點和線束，一些接插件導致安全隱患，線束老化、破損、擠壓、漏電、絕緣下降、松動等等，線束的安裝是人工，有安裝成本。
3、電芯在沒有安裝運行的狀態(tài)下無法進行有效檢測。大家都有體會，一個電芯放那兒，如果放一年，你根本不知道這個電池的狀態(tài)。這些都是安全隱患。
這是高特正在研發(fā)的電池傳感技術，我們已經花了將近兩年時間，我們未來推出來的芯片是跟電芯接在一起的，我們再也沒有采樣線束，大大提高了電池系統的安全性。目前正在進行當中，敬請等待。
發(fā)展的趨勢五：系統的集成化、可靠性、功能安全。
儲能系統的成熟和成本壓力，使得BMS、PCS、EMS等各子系統集成整合將成為發(fā)展趨勢，在系統架構層面將變得越來越簡單。各子系統信息整合也將是必然趨勢，關聯判斷、故障診斷、聯動保護等是未來發(fā)展趨勢。
可靠性要求我就不說了。
功能安全，我相信以后也是必須的。
大家到我們展臺可能看到，我們現在BMS三級組控就地能量管理系統已經整合進去，這種整合帶來了成本的下降、控制系統的簡化，我們把整個系統的急控單元也集成進去了，空調、消防、動環(huán)、PCS、電池全部集成到一個單元，也就是我們的BMS具有了三大功能，而不是簡單的一個功能。
這是我們對未來的能源互聯網的一個暢想，也就是未來的能源互聯網是基于分布式能源架構，這個架構給我們帶來了一個機會，就是我如何去做系統的數據服務和能源的管理，這是未來的一個發(fā)展方向。
高特是儲能行業(yè)的一個老兵，我們從2021年國內的第一個儲能示范項目開始做，做到現在。我們從1998年到2022年，24年一路走來，感謝大家的相伴，謝謝大家。
原標題：直擊儲能大會｜高特電子徐劍虹：儲能 BMS 的重要性及發(fā)展趨勢分析
掃描關注微信
寧德時代吳凱...
天合光能陳奕...
劉巖: 追光行...
黃震院士：大...