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天邦达胡龙文:BMS助力储能梯次利用电池发挥到极致性能

作者:中国储能网新闻中心 来源:中国储能网 发布时间:2019-05-09 浏览:
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中国储能网讯:4月24-26日,由中国化学与物理电源行业协会储能应用分会主办的第九届中国国际储能大会在浙江省杭州市洲际酒店召开。在4月25日下午的“储能电池与技术应用(下)”专场,深圳天邦达科技有限公司首席技术官胡龙文在会上分享了主题报告《BMS助力储能梯次利用电池发挥到极致性能》,以下为演讲实录:

胡龙文:各位专家,各位朋友,下午好!我是来自深圳天邦达的胡龙文,深圳天邦达是锂电池管理系统提供商,今天我就从梯次电池的电池管理角度谈谈我们的经验。谈梯次电池绕不开中国铁塔,中国铁塔2015年、2016年起就开始了大批量的梯次电池的试点,2018年实现了大规模的商用,我们天邦达有幸参与其中,截止目前为止,我们天邦达发了接近20万套的梯次电池的BMS,到中国铁塔的通信基站正在运行中,这个过程中我们有一些积累,所以今天做一个分享,也是希望能够抛砖引玉。

我今天的介绍主要是三个部分:第一,对我们公司做一个简单的介绍,希望增进大家对我们公司的一些了解;第二,介绍一下梯次利用的背景;第三,重点介绍一下梯次利用的方案以及我们BMS在里面承担的角色。

深圳天邦达是2007年成立,目前有12个年头,我们12年只做了一件事情,就是锂电池的管理,从前期的一些锂电池的保护板,到目前锂电池的一些管理系统,这12年我们的产品线一直在延伸,我们的业务也一直在拓展,包括我们的一些质量管理体系也一直在完善。

我们的业务主要是四大方向:第一,消费数码类的保护板。这里面包括手机、可穿戴设备以及笔记本这些里面的保护板。目前我们最大的终端客户是华为,大家如果使用华为手机的话,华为里面我们去年一共做了8千万部的华为手机里面的保护板。第二,工具类,就是电动工具和清扫工具里面的BMS。我们是向国内、国际一线的,像TTI、必胜、莱克的供应商。第三,通信基站备电和储能相关产品的BMS。1,通信基站类,因为我们给铁塔的发货量比较大,目前基本上是国内发货量最大的通信基站类的BMS提供商。2,我们也是在包括数据中心的高压直流、数据中心的UPS以及分布式储能这块在做相关的一些BMS的试点、示范以及培育工作。第四,汽车,汽车里面含两个,一个是48V启停的BMS,另外一个是新能源的BMS。这是我们的四大业务。

我们总部是在深圳,在深圳光明,深圳南山有研发中心,我们在上海、天津、福州有三个办事处。我们销售额2018年是4个多亿,近几年都是呈现30%以上增长率的良好的发展势头。我们的质量体系,因为和国内、国际一线的企业合作比较多,所以体系也逐步得到了完善。我们有自己的工厂,我们整个公司有900多人,所以我们的产品都是自我研发、自我生产。

下面介绍一下梯次利用的背景。首先是政府政策的强力推动,这后面应该有两个原因:第一个,是像现在汽车的动力电池在2018年已经是到了规模化的退役期,所以这些电池怎么样得到资源的最大优化的使用,实现物尽其用,这个非常重要。第二个,这些电池如果不当的处理可能会引起一些环境的问题,这个我想也是政府政策强力推动的重要原因。

我们再看一下动力电池现在退役以及使用的情况。2018年后,这已经是规模化退役期,大家都讲到2020年会有20多GWh退役的电池,那个数字可能大家不够直观,所以我这里列了一个比亚迪退役电池的情况。大家可以看到,比亚迪在2018年有800兆瓦时,逐年激增,应该到后面会持续高峰期。

使用情况,重点是中国铁塔,它从2015、2016年做了多种形式梯次利用的试验,包括在通信基站有规模化的商用,也是以比亚迪为例,比亚迪应该在2018年就交了超过250兆瓦时的梯次电池,应用于铁塔的通信基站中。

我们再看一下梯次电池使用的一些模式,因为主要还是我们结合中国铁塔的一些使用模式来讲,可能不是太全。中国铁塔目前主要是推三种模式,也就是退役的汽车动力的Pack包,首先做一个物理核容,如果这个物理核容直接符合Pack去使用,后续就应用于相关的一些直接Pack使用的应用场景。如果核容是不满足直接使用场景情况下会再做一些拆解,这里面有两种情况,一种情况是这个Pack包本身由方形的大电池组成,所以直接对方形的电池包进行分容、配组,最后形成一个像通信基站可以直接使用的电池包直接使用,这种我们称之为单体使用模式。还有一些厂家,比如像比亚迪的电池,它会采用模组化的方式,可能在它当初设计Pack的时候就考虑到将来的梯次利用方式。所以模组被拆下来的时候,经过物理核容,如果直接能达到模组的使用要求,就进入到模组使用的模式。

三种使用模式各有特点:第一,单体使用模式,应该是对单体进行了分容、分选、配组,所以整个单体的一致性还是比较好的,所以现在应用起来基本上和原来早期的在通信基站这里面应用的新电池是类似的方式。但是单体使用的方式的另外特点,拆解的难度、工作量是有的,成本也偏高的。第二,与之对应的Pack方式,工艺最简单,里面还是对单体一致性放松了一些要求,应用成本最低。第三,模组使用,是其他两种方式的中间体,就是兼具了两种方式的一些优点和缺点。

下面重点介绍一下,包括里面各种模式的一些电池管理。我们先来单体使用这个模式的场景,它的场景是通信基站的备电使用,大家目前对梯次电池在储能的应用其实是有很多争议的,不过大家对梯次电池在通信基站的备电使用场景应该还是非常认可的,并且认为这是一个梯次电池极佳的一个应用场景。为什么这么讲?因为通信基站里面,中国的基础设施,特别是电网的基础设施是比较好的,所以中国的通信基站里面大部分时候是不停电的,我们梯次电池在里面应用环境是比较好的,原来是铅酸电池,现在梯次电池利用之后这里面还能够发挥我们锂电池的一些特点,比方说它的循环性能,比方说大电流的放电性能,也比方说它的一些高温性能,都是好于铅酸。中国铁塔也是最早做试点现在大批量使用,也都是在通信基站里面。因为经过了分选包括配组,所以在这个里面的单体使用模式大家可以看到,我们的BMS其实和原来三大运营商用于分布式基站微站的那些BMS是类似的,我们称为一体化的BMS,就是说BMS以单板的形式,安装于整个电池包中,实现电池管理的相关功能。简单讲哪些功能?就是这些列的基本的功能要求:1,需要对16节单体进行单体采样。2,多路电芯温度、环境、功率温度采样。3,电池充电、放电电流检测和SOC测算。4,电压、电流、温度告警和保护。4,充电限流。5,休眠与唤醒。6,通讯数据上报。7,实时时钟功能。8,历史数据存储功能。9,电池组加热,10,电池防反接。这种使用方式和原来我们三大运营商标准的48V的锂电包是类似的。其实在中国铁塔,中国铁塔的方式其实比原来三大运营商的使用方式场景更复杂,为什么这么讲?因为原来的微站的电池电流也是比较小的,它的备电电池容量都是20安时—50安时,但是中国铁塔管理的是中国近200万个室内和室外的宏站,这些站里面负载电流是很大的,它必须要有一定的备电时间,所以它的电池容量需求很大,包括原来铅酸一般是600安时或者1000安时一个站,锂电池之后会更少一些,但是也达到了两三百安时到五六百安时不等。

为了考虑锂电池包括装配、也包括运输、维护等需求,所以锂电池目前像中国铁塔发货量最大的基本上都以100安时为主。100安时为主,意味着多个电池组要并联使用。这里我画了一个通信基站不间断直流电源的示意图,在这里面画了两组,实际上在通信基站会有2组甚至到10组不等,电池的容量现在以100安时为主,从50—200甚至300安时的都有。电池之间,因为是相互备份,也是扩容使用,所以相互之间是不通讯的,同时BMS也不和里面的整流模块就是这里面的电源通讯,逻辑上是不连接的,物理上又是连接的,相当于必须和电源、和负载各方面整体协同的工作。所以这里面就对BMS其实比分布式微站提出更高的要求,也就是说BMS各自管好自己的同时,它要来适应这种并联的应用场景,其实对里面的一些器件选型会提出更高的。比方说像这种通信基站里面都是用充放电,就是用MOS对管来实现解决方案的,所以对这些器件选择其实提出了更高的要求。像全国有200多万个基站,这里面电源厂家很多,这些电源厂家少说也有十来家,这些电源厂家每家的充放电电压,包括开关电源的调压限流,就是电池限流的方式不一样,所以BMS都需要来适应各种调压限流的方式。

还有针对梯次电池,因为相对来讲它的安全性其实一直存疑,所以中国铁塔也是要求所有的梯次电池BMS都必须具备信息上报功能,就是说所有的梯次电池的数据都能够在整个铁塔的运监平台上都能够实时监控。所以BMS也需要提供与FSU即通信基站采集器里面的一些连接,而这个通信基站采集器其实在全国也有接近20个厂家,所以这就是为什么对BMS提出要求,必须和各个厂家的FSU实现协议对接,实现信号和告警的上报。

综合来看,这种单体使用比原来在三大运营商里面试用的原来的通信锂电池对BMS来讲提出更高的要求,当然现在因为也是量和梯次电池价格的原因,包括整个行业、包括我们的BMS同行,以及一些电池厂在做选型上,实际上进入了非理性的选择,也就是说大家不是太看中BMS本身的可靠性,而是更多追求成本,我觉得这是一个误区,所以我此呼吁大家要理性、健康的来看待梯次电池和通信基站的BMS。

刚才讲了单体使用模式,我再讲一下我们的模组使用模式。模组使用模式实际上应用场景是类似的,都是通信基站,所以前面所有的功能必须具备,同时它其实又需要一些更高要求的功能。右下角是一个在实际通信基站里面比亚迪电池的实际使用图,这里边左右是两个电池组,左边那个电池组上面是8串、下面是8串,所以它的情况比前面单体模式更复杂,就是说它必须进行现场安装,所以BMS基本上都是采用分立式的结构,比亚迪的电芯包括其他厂家的电芯有很多种组合,有8+8的,甚至还有7+9的,所以我们的BMS,如果看上面的图,我们在采样这块,实际上是做了4组  隔离,这样的话我们是1—5、6—10、11—15、16—20,我们是做了四组隔离,能实现各种组合,来适应这种模组的使用。这是一个特点,就是BMS对采样提出了一些要求。

由于这种模组里面检测手段的局限,实际这种模组内本身单体的一致性,也包括组与组之间的一致性,是比前面那种模式是更差的,我们也是特别的为了这种梯次电池,包括和电池厂家,包括我们自己做了很多测试,所以我们也形成了自己的一些更加专用化的均衡算法。因为有一个好处,通信基站基本上是长期浮充模式,所以实际上可以做一些被动均衡,并且长期的被动均衡,消除不一致性的问题。

因为都是动力电池下来的电芯,所以它的功率其实都是很大的,它是功率性的电池,同时它本身的充放电电流,它的电池容量也是很大的,所以都要求我们的BMS,像我们最大的解决方案能支持150安培持续的充放电电流,并且在它也是以MOS管的形式实现的,这里面对BMS也提出了要求。包括它的短路电流和反接电流的设计,也提出了更高的要求。

包括前面的单体使用模式、还有模组的使用模式,现在我们也是大批量的在通信基站使用,目前来讲,应该这两种模式从技术上、从经济性上应该是可行的。我们其实也参与中国铁塔做的其他一些包括大Pack使用的模式,当然这些模式主要是一些示范站点,都还没有形成批量。

我们里面参与的主要是以下几类场景,包括削峰填谷的储能场景,也包括基站备电的场景,还包括移动补电车的场景。这里面相当于直接把电池包在相关的储能或者基站使用,所以这里面它的特点是,不是标准的51.2V,这种梯次电池是高压的电池组。各家的电池电压平台都是不一样的,它的应用场景也比较多,我们BMS在这方面做的一些工作就是,包括我们BMS通过主从方案,来适应各种电池电压平台和各类的Pack包的接口,同时我们要灵活的去接入各种PCS,来实现包括控制策略、包括后面对它的分级保护策略。我们在这里面还做了一些自学习的算法,怎么样内置一些像梯次电池的寿命模型和算法,因为真实评估梯次电池它的寿命,包括它还能用多久,这样的话其实涉及它的经济性。我们也是做了现在箱式控制器的方式,就是里面有一些功率器件包括显示屏,更方便的使用。因为这块也是处于试用和示范点,所以不具体介绍。

总结一下,我们参与中国铁塔的几种模式中,前两种模式,包括单体使用的模式啊、包括模组使用的模式,刚才我讲了从各方面,既有一定的可行性,包括经济可行性,但是在Pack使用方式,实际上我们还要做更多的探索,去探索最适合它的场景,在这种场景下又具有经济性,具有经济性的时候解决梯次电池特别是大Pack电池的安全性、以及电池不一致性这些问题,都有待于包括我们BMS厂家、包括我们大家同行来做更多的工作。我相信道路是曲折的、前途一定是光明的。谢谢大家!

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