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直击长沙|高特电子邸金生:储能BMS的重要性及发展趋势分析

作者:中国储能网新闻中心 来源:中国储能网 发布时间:2022-12-02 浏览:

中国储能网讯:11月24-26日,由湖南省工业和信息化厅、湖南省商务厅、长沙市人民政府、中国化学与物理电源行业协会储能应用分会联合主办,100余家机构共同支持的湖南(长沙)电池博览会暨第二届中国国际新型储能技术及工程应用大会在长沙圣爵菲斯大酒店召开。此次大会主题是“新能源、新机遇、新高度”。

会议期间,组委会邀请了杭州高特电子设备股份有限公司市场经理邸金生分享主题报告《储能BMS的重要性及发展趋势分析》。以下是发言主要内容:

邸金生:各位专家、各位同仁,大家上午好!很荣幸今天和大家相聚在湖南长沙2022电池产业博览会,受疫情影响,可能很多演讲嘉宾包括观众不能及时到会场,我们很幸运在这样的时间遇到了如此情况的疫情,但又很幸运我们能把大家聚集在一起,为了储能产业的发展集思广益。高特是BMS行业的老兵,也是排头兵,跟很多行业内的人都是熟悉的老朋友。随着储能高速发展,BMS在前沿技术的加持下也在不断创新发展。我今天汇报的主题是:储能BMS的重要性及发展趋势的分析。

我今天的汇报分为四个部分,一是储能现状,二是BMS重要性,三是BMS+数据服务体系,四是高特电子介绍。

首先分析一下储能,众所周知储能的终极目标是高收益、低成本、高安全、长寿命,环境友好、智慧化、智能化、数字化、免维护等等,这些都是储能发展到今天理想的预期目标。事实能否实现?目前储能从安全、效率、成本、收益等多方面都面临着诸多的阻碍。从安全角度,虽然电池本体技术和系统集成方案有了大幅度提升,但是仍然无法避免电池单体潜在的热失控安全风险。为了提高效率,系统集成商提出了组串式的PCS管理模式和高压直挂模式。虽然在一定程度上可以避免簇与簇之间不一致导致容量下降,但是无法改变簇内单体的一致性,所以本质上还是要解决单体一致性的问题。储能目前仍然面临着循环寿命下的度电成本和运维成本等无法预测的收益风险,BMS的数据对投资收益、运维支撑的作用是非常巨大的,现在很多的储能电站为建而建,并没有从数据的重要性去深度理解。未来储能电站运维的难度包括支撑技术都来自于BMS的数据,如何延长储能系统或者储能循环寿命,提高资源利用率,更好的体现社会效益,也是值得我们深思的课题。

为什么储能BMS比较关键?首先,影响储能的因素有很多,无论从电池本体,电池PACK的工艺,系统集成方案,电池运行环境到运营管理等因素都会对储能的全生命周期产生影响,虽然电池的制造工艺和系统集成水平有所提升,系统质量和可靠性也大幅提高,但单体的离散性和热失控风险仍是实现储能系统长寿命和高收益的重要影响因素。另外,热失控问题是多因素耦合的综合性问题,单一维度的检测和诊断不能及时预防和控制风险。基于以上因素,如何获得更长寿命和更高收益,BMS的管理和维护能力起到了决定性的作用。

众所周知,3S系统是储能系统的重要组成部分,EMS负责决策,PCS负责执行,BMS作为极为重要的感知部件,也是储能系统的核心和基础,从多维度践行数据实时同步采集、保护、可靠的动作,也是EMS决策和PCS执行的重要依据。实时检测、电池单体温度、电池簇的电压电流、状态诊断、控制保护、数据管理等等是储能BMS常规的功能,这些基础功能已经不能满足未来储能系统高效运行的需要。现在大家最关心的是储能安全,近几个月国内外陆续又发生了多起由于电池热失控引起的火灾事件,足以引起大家的重视。目前通过在外围表面检测电池单体的温度是严重滞后的,有可能电芯内部的热失控已经非常厉害,但因为表面检测有一定滞后性,所以无法及时的反映内部热失控,当表面的温度检测出来的时候,电池已经属于不可逆的热失控状态,所以在这种情况下,BMS当仁不让的承担起安全状态实时评估的功能。目前高特研发的BMS已经具备了非常强的算力,软件上采用了人工智能、边缘计算的算法,具备实现电池安全状态的一个本地化实时性,快速诊断的能力。随着储能产业的快速发展,云边协同已经是未来的重要方案,我们为客户提供更高级的安全预警分析,性能诊断,智慧运维及运维策略的智能定制化BMS+的数据服务体系也成为储能发展的一个重要方向和技术支撑。

什么是BMS+数据服务体系?主要分为五个部分,从BMS的数据感知、BMS本地数据挖掘和诊断,站端运维平台的搭建,通过端边协同,进一步提高诊断能力,以及在站端提供一些运维策略,到最后提供线下服务,构成一个全生命周期的完整数据服务体系来保证储能系统高效运行。在整个闭环里,BMS是基础,它是数据感知部分获取数据,具备高速通讯跟控制响应的能力。在本地获取数据以后,经过本地的边缘计算和数据清洗,把清洗过的数据送到站端,站端再对边缘降维的数据做横向诊断分析优化,提供数据服务和智慧运维策略,提高系统运营水平及运行效率。

基于目前储能行业的发展,大型储能一般为三级架构的BMS,最下面一层叫BMU,对应每一个PACK放一个BMU模块,中间层叫电池簇管理单元,一个簇一个模块,第三层叫电池管理主机。高特三层架构的亮点,首先最下面的BMU支持12-64串PACK全覆盖,各种各样的PACK都有对应的BMU适配,也可以对9000V-1500V的系统进行兼容,同时支持主动均衡和被动均衡的兼容。目前我们有很多的储能电站在前期的初始投资成本控制得非常严格,所以有可能在前期选择了被动均衡,但随着储能电站两年以后运行下来,电池的一致性和衰减性出现了问题,它可以直接通过主动均衡和被动均衡模块之间的切换来实现主动均衡,也不需要增加任何线数。

中间电池簇管理单元亮点,考虑到目前1500V系统的发展,目前单簇都超过了400个单体电芯,10个电池簇控制管理单元通过将数据上送到第三级管理主机可能需要十秒甚至更长的时间,这样为储能的高速通讯甚至安全预警、应用到调频场景是无法满足需求的,所以高特也是行业内第一家采用网口通讯,因为网口和第三级通讯不管是十个电池簇管理单元还是更多的簇都可以实现百毫秒级的数据刷新。

第三级管理主机是全新设计的硬件装置,支持2G主屏、4G内存、4核、500G固态硬盘,可以实现全生命周期秒级的数据全保存,同时系统是采用H5的架构,支持所有三级架构一键远程升级,同时这个主机也配备了丰富的接口。理论上来讲,一个集装箱控制单元里面所有的信息包括PCS的控制,一个控制管理单元都可以实现数据的接入,最重要的是实现边缘计算的能力,具备实时的电池安全状态和接入设备状态的诊断,另外还有非常重要的功能,设备采用了微服务的架构,便于客户做二次开发。

考虑到目前工商业小型储能系统和分布式储能系统的发展,高特在BMS管理主机的基础上开发了一体化集控单元,设备具备和聚合接入的能力,同时集BMS、轻易EMS以及控制保护于一体,另外支持用户侧的单机以及群控PCS多个调频场景。在集中式储能系统、储能柜或者是分布式储能系统的应用场景中,一体化集控单元可以替代原来通讯管理机、能量交易、EMU、故障滤波、EMC的主机,所有集控单元可以实现all in one的功能,像用户侧的项目,集控单元还具备了物联网和4G通讯的接口,对用户来讲,大大地降低了用户去做系统集成开发的难度,系统完全简化。

这是一体化集控单元的产品功能,它支持边缘计算、云边协同、系统性能状态的实时诊断和评估,支持计量收益管理、经济性分析等等。同时集控单元还具备强大的运算能力以及主动安全、集成控制、智慧运维、高兼容性等等优势,有效地解决了储能系统配置繁琐、功能复杂、维护难的问题。同时还支持削峰填谷、虚量控制、离网备电和需求响应等多种策略。这是集控单元的显示界面,包括电池簇、电梯单体的数据显示,接入的设备数据管理、能量管理、策略及参数的设置。第二排也是一体化集控单元最核心的优势,包括电池健康状态诊断、系统安全状态诊断、设备状态诊断。电池健康状态诊断通过多维实时的历史数据分析,实现对单体和电池系统健康状态、性能趋势的预测分析,并推送智能优化策略。另外,通过温度和内阻等参数,有一些综合的模型,对电池的安全趋势进行实时的预测,来反映单体电池和储能系统的安全状态。智慧运维策略的功能基于边缘计算的能力和电压内阻等参数,推送必要的运维策略,最终基于实时评估,电池系统的运行效率和运行策略,实现储能系统运行经济性和全生命周期的收益预期分析,推送运行优化策略,提高经济性的收益能力。

今年,储能产业高速发展,目前在建、投运、规划的储能项目已经超过了30GWH,随着储能电站的逐步投入使用,运维将是一项重要的工作。针对目前和未来大量的储能电站投运以后面临的运维效率低、成本高、风险大的问题,高特开发了基于微服务结构的全新智慧运维平台。系统具备实时的检测,秒级的响应,对电池数据实现秒级数据刷新和及时的监控。这里展示的就是电池堆的充放电、待机等状态,还有告警事件、电池单体的数据信息等等。同时,平台具备数据聚合集中展示的功能,重要的数据集中展示在大屏上,便于操作和管理,也可以大幅地减少运维工作量。还具备一键巡检的功能,智慧运维支持运行效率,电池健康安全,PCS设备通讯等一键巡检,进行实时的分析和诊断。智慧推送线上的运维策略及线下的解决工单,有效地提升运维效率。系统是基于外部的集中管理模式,开放性非常强,软件开发维护及扩展非常简单,也支持手机端远程的随机查询及操作。

从效益分析来讲,智慧运维具有传统运维无法比拟的优势,按照现在百兆瓦时的储能电站人员和设备运维,通过智慧运维可以从运维成本和人员数量上均下降超过70%,有效地提升运维效率,目前已经有多个储能示范项目配备了高特的智慧运维平台。这是高特在行业内比较领先的单体对单体的双向主动均衡技术,这也是二十多年来高特对电池管理的深刻理解和精髓,解决电池的一致性要从根本上解决所有单体电池之间的一次性差异。双向主动均衡的原理是当簇内有落后的电芯,可以快速找到簇内容量比较足的电芯,通过DCDC把能量释放到总线上,落后的电池通过总线吸收能量,补充到落后的电芯,整簇的电压一致性得到了明显的改善。也就相当于好的电芯抽取一部分的能量补到落后的电池中去,可以延长整簇的放电时间,尤其是储能系统运行的早期,由于充电倍率、初始容量不一致引起的问题,通过主动均衡都可以快速有效地改善电池的一致性,从而让电池的运行在比较好的环境中。

未来储能的盈利模式,主动均衡技术一定是一个必选项,尤其是明年会有更大容量的电芯出现。一个电芯的落后对整个储能系统的影响是非常敏感的,如何做好主动均衡?三个条件缺一不可,一是要有先进的拓扑,二是要有智能的策略,目前我们的策略是基于电芯的SOC、SOE,电压等多重差异的均衡,拓扑也是行业内最先进的双向DCDC,三是要有高效的保护逻辑。

这是我们实际项目的数据,运行超过四年,这是理论的衰减曲线,这是实际衰减曲线,根据实际的运行曲线推测,最终可能运行八九年时间,容量下降到80%,中间蓝色曲线是两年以后主动均衡开始介入,主动均衡发挥作用以后,电池的实际衰减曲线通过实际数据测算,可以提升到13年左右的寿命,有效地提升了整个储能电站30%以上的收益,可见主动均衡的作用还是非常明显的。另外SOC、SOE的诊断也是BMS的关键技术,目前网上也有很多基于安时计分法,OCV修正等算法,这些都是理论算法,缺点是不能适应电池长期运行的变化,适应能力比较差,需要定期的校准。高特的做法是开发了一套全新的算法,使用了一些神经网络的算法,包括自学习的算法,我们人为的对电池的数据进行了篡改,这个模型能快速发现问题并梳理。目前SOC的精度在平台区可以做到5%以内,在两端可以做到3%以内。高特的亮点是基于基本功能的基础上,我们开发了SOX的诊断技术,基于单体电压,电压的离散性、温度的温升等等做了每一个电芯的SOX模型,对每一个电芯做了一个安全等级的指标,安全等级越低代表着越安全。以上就是高特的一些产品技术优势

最后,我再想大家介绍一下高特,高特电子成立于1998年,做了24年的电池检测工作,对电池特性和失效机理有着深刻的理解,对电池状态的学习,诊断技术和主动均衡技术也都属于行业的领先地位,同时我们自主研发了包括采集芯片和双向主动均衡芯片两款国产化芯片,同时高特正在研发植入到电芯内部的传感机技术和产品,也在开展储能系统的挖掘和服务体系的研究和应用。

2021年,高特在第三方BMS的出货量是第一名,截止到今年10月底,本年度业绩已经超过8.5GWH,到年底,预计会超过10GWH。高特作为储能BMS的先行者,将继续为储能的高质量发展贡献自己的力量。我们的发展策略是专注于储能领域,从核心芯片、BMS产品到BMS+数据服务的完整产业链深耕,打造基于BMS+的技术生态,努力成为储能电池安全和价值提升的数据服务供应商。

我今天的汇报到此结束,谢谢大家!

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关键字:BMS 储能

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