高特电子谢建江：基于电池全生命周期应用的电池管理系统

2017年四月24-二十六日，第七届我国国际储能大会在苏州香格里拉酒店圆满召开，来自中、美、英、德、澳、日、韩等国家的1400余位嘉宾到场参会。大会共邀请140余位行业专家与公司代表，围绕产业热点话题，发表了一系列精彩演讲，我国储能网将向读者传递本次大会最具价值的声音。

大会期间，杭州高特新能源技术有限公司副总经理谢建江在“储能电站暨微电网专场”，以《基于电池全生命周期应用的电池管理系统》为题发表演讲，现将演讲重要内容公布，以飨读者。

杭州高特新能源技术有限公司副总经理谢建江

谢建江：谢谢大家。汇报的内容大概包括四个部分：第一、全生命周期的应用；第二、电池标准模组的分布式BMS的设计事项；第三、满足全寿命周期应用的主动均衡技术；第四、在梯次利用及分布式BMS案例的分享。

这个图是一个比较理想的动力锂离子电池全生命周期应用的效果图，我们希望从动力锂离子电池到后备退役的电池到商业储能，到高电压、大电流的商业储能到后备电源，甚至低电压的商业储能，最后到电池的回收，完成整个电池的生命周期，但是我们了解现在实际的情况并不理想。到2020年我国退役的电池将达到十几GW，到2025年退役电池的总量达到100GW，这是一个非常庞大的数字。

面对这样庞大的数字我们怎么办？地球只有一个，我们要合理利用资源。所以现在大家都在关注梯次利用。我们这两天的会上也交流了很多梯次利用的情况，到目前为止针对梯次利用的储能技术，或者梯次利用的相关政策更加少，出台的相关政策大多是规范了梯次利用的标准，以及作为车厂，动力锂离子电池厂回收电池的重要责任落实，缺少具体的其他政策。

刚才冀北院的李经理也讲了，目前梯次利用技术仍然处于技术验证和项目示范阶段。这是我们公司实际做的一个基于磷酸铁锂离子电池的生命曲线，通过这个图我们可以看到，整个磷酸铁锂离子电池的生命曲线相对线性还是非常好的。我们看到第一条红线就是70%，这个时候电池从车上退下来，我们继续做测试，当它容量达到30%的时候，70%到30%之间的衰减的曲线还是非常线性的。所以这个图我们可以非常有信心的证明这一点，动力锂离子电池的退役电池，用在储能上是非常有效跟可靠的。

这个电池也是一个三元锂离子电池，因为它的曲线跳水特性，所以在后期的梯次利用上面有很严重的波动性。

现在有关动力锂离子电池的梯次利用，要经过以下几个过程，第一要将退役电池，或者将退役电池的PACK包从车上拆下来；第二要把PACK包拆解到单体；第三要对单体进行筛选，或者对单体进行容量测试；第四要根据重新测试的电池数据重新重组，或者重新组成PACK，再到后面的梯次利用，从这四个过程来看，梯次利用的成本是非常高的。可能在座的也有电池厂的代表，大家现在也在讨论这个问题

所以梯次利用的难点也呈现在我们面前，如何将动力锂离子电池PACK的拆解、重组包括性能的评估变的简单可靠，如何让整个储能动力锂离子电池的梯次利用的商业模式和产业链能够打通，所以我们要在这些方面，尤其对电池的性能，以及对电池的PACK的重组、评估方面做大量的工作。

经过这几年高特在动力锂离子电池的大量研究基础之上，我们提出从BAM式的技术入手，去解决动力锂离子电池梯次利用的技术难题。第一部分我们通过模组级的电池管理系统，组成模组级的电池模组，然后有多个模组再组成一个电池PACK。第二部分，我们在动力锂离子电池初期利用的时候，预留主动均衡的接口，包括对已经退役的电池新增主动均衡的模块。

第三，因为我们已经在模组中集成了电池管理系统，这个电池管理系统我等下也会讲，我们是一个分布式的电池管理系统，就是在二次拆解的时候，它只要拆解到整个模组，不要拆解到每一个单体，这样我们在进行动力锂离子电池梯次利用的过程当中，可以大量的减少我们拆解的成本，从而延续动力锂离子电池BMS的一些数据。

我们可以看这个图，现在我们BMS的整个架构，最下面是整个电池组，组成了一个PACK包，这个PACK包内我们有若干个从控模块，假如按照主从式的架构，这个从控模块我们要通过电池接入引线，引线到从控模块上面，若干个从控模块再向上一级的主控模块进行数据通讯，所以在实际的PACK的成组过程当中，BMS的安装包括BMS的线束安装，其实占用了整个PACK工艺很大一部分的工序。

我们公司提出的BMS架构，就是我们把电池的PACK分成若干个模组，这里我们把它分成了比如说四个单体或者六个单体或者八个单体作为一个单组，我们在每个模组里面集成了我们的分布式电池管理模块，这样做的好处是什么呢？地我们将从控模块集成在我们电池模组以内，采集线束固化在模组结构中，省去了采集线束。让从控模块成为电池模组的一个构件，在PACK的成组过程当中，整个线束一次完成，不要再进行二次线束的连接。

第三个，我们把这个模组做成了一个单体的模块化的BMS，我们在每个模组里面，因为我们有这个BMS，所以我们的BMS又跟一般的模块化的BMS没有CPU的有本质的差别，我这个模块的分布式的BMS有CPU我们记录了整个动力锂离子电池在整个过程中的充放电次数，SOC衰减的数据，所以我们在进行梯次利用的时候，我们可以一次性将电池模组进行组合，我只要读取一下各个模组实际的SOC的数值，按照不同的数值进行分类，很快的就可以进行二次的梯次利用。

这个图比较形象的表示了原先上面一排，是接了一个电池管理系统，这个电池管理系统可能要很多的线束，接到一个主控模块，现在我们把上面一层接到一个主控模块上的BMS打散成了4个分布式电池管理模块，这4个分布式管理模块，我们通过工艺的形式，直接安装在整个电池模组之内，当我二次利用的时候，或者我动力锂离子电池退役的时候，我直接读取一下各个模组的SOC的情况，直接根据SOC的数值进行二次利用。这样的话就防止了频繁的拆解，以及频繁的进行容量诊定的工作。

这个是分布式电池管理系统的主控模块，这个是电流传感器模块，我们整个分布式电池管理系统，有分布式电池管理模块，加主控模块，加双向主动均衡模块构成，这里我们再介绍一下主动均衡的技术，最左边我们可以了解这是一个新的单体电池，它做循环测试它可以做到非常理想的数据，但是当它成组以后它的循环寿命，包括它的放电深度已经大打折扣，当它运行一段时间以后，我们已经看到了它的一个衰减速度在加速，当它加速以后，动力锂离子电池的SOC可能已经低于80%，这个时候必须退役。所以我们认为电池离散性是电池组性能衰减的重要原因，改变衰减的最有效的办法就是主动均衡。

这个图看到，这是没有进行主动均衡的一个实际充放电的曲线，尤其在放电的后期，电池单体之间的离散性还是比较大的。

这是现在的一些主流的主动均衡技术的介绍，我们高特的主动均衡的技术，采用的是双向的无损的主动均衡，简单的说我们可以实现电池模块之内，或者整个电池簇之间的任意单体间的能量转移，我可以把能量高的单体转移到能量低的单体当中，因为这个均衡技术也省去了供电电源跟均衡母线合二为一，我们没有额外的新增均衡的线束，所以在我们安装跟后期维护过程当中，也变的非常方便。我们双向均衡的效果一般是单向均衡的两倍。

这是一个主动均衡的实际效果，上面这个图是没有主动均衡的，它的这个放电的时间以及放电的容量，我们可以看到，充电容量跟放电容量大概在60到65Ah之间，进行主动均衡以后我们可以看到经过31次主动均衡，它的充电容量恢复到99.6Ah，放电容量恢复到101Ah，容量的恢复接近于50%，这是非常有效的。而且这里只做了30个循环，假如电池上一直在跑，或者储能每天在进行充放电工作的话，它的效果会更加明显。

这里我跟大家分享两个电池管理系统的案例，第一个是主动均衡的案例，这个就是刚刚冀北院的李经理也介绍了，风光储9兆瓦的梯次利用的项目。这个项目的BMS，就是利用了主动均衡的技术。这个模组是直接从公交车上退下来的，退下来以后我们简单的对这个模组进行了一个测试，有关这个模组里面容量衰减特别低的个体进行了筛选，把它挑出来，大部分我们没有去拆解原来的单体，就继续使用。它的单体容量差异在15%或者20%之内的，我们给它加装了双向主动均衡模块。这个就是在均衡之前跟均衡之后的数据比较。均衡之前充放电过程当中有个别单体衰减的比较快，我们进行主动均衡以后，整组的充放电的深度包括时间，得到了大幅的改善。

这个数据更加能够说明，上面这一条曲线是在没有进行主动均衡之前的放电时间，大概放电40分钟，这里是在进行大倍率放电。进行8次完整的充放电以后，可以看到最下面的这条曲线，它的放电时间已经达到了将近一个小时。而且我们也可以看到在均衡之前，它的压差最大达到100个mV，我们进行8次主动均衡以后，这个电池单体之间的压差在20个mV之内，所以说这个效果也是非常明显的。这个项目目前也在执行跟投运阶段。

第二个我们是基于分布式电池管理系统的箱式储能系统。我们这里的储能系统的电池，我们用的是电池厂的B类电池。这个电池因为存在着很大的质量风险，所以我们在设计的时候，我们做集装箱设计的时候，我们做了一个标准的分布式的模组设计，我们可以看一下这个图，这个模组单体容量达到340Ah，我们这里是采用了8串的结构。分布式的电池管理模块我们安装在这里，这个模组与单体之间的线束是没有的，我们在进行PACK的工艺过程，我们有一个硬连接的技术，我们每个单体的正负极柱是通过点焊的方式，直接连接到中间的连接条，这个连接条的末端就是一个端子，直接插到整个的分布式电池管理模块上面，整个模组最后安装，我们就用插箱的方式，一个一个安装，每一层两个，这个电池架一共12个模组，最后我整个盖起来，相当于每个模组，模组与模组之间没有电池连接线的干扰，模组与模组之间直接通过电源线跟看线进行连接，外面非常干净。假如用传统的主从式的结构，我这里只有8串电池，我要最大效率的利用我的电池管理模块，我要把3个或者4个插箱共用一个电池管理模块，这样的话我插箱与插箱之间就有电池连线的影响。在后期使用的时候，假如这个插箱有问题，我首先要把电池的采集线束进行分离，然后把模组退出来，再换上新的模组。这个时候换上去的这组电池，跟模块里面存的数据不一一对应的，所以储能的效益计算就大打折扣。

假如每个模组拆下来的时候，把BMS也拆下来，换上去的时候BMS数据也在里面，上一期的主控模块可以直接读取换上去的BMS的数据，基于跟已经在上面的BMS的分析，来决定整个电池组或者储能系统的放电深度或者放电时间，这样可以大大提高整个储能的效率，最终体现在整个储能的效益上面。

这个是我们在整个工艺过程中的分解图，最终我们会把这个模块完整的放在里面。

高特电子目前的创新分布式电池管理系统加上主动均衡技术，在电池制造成组以后，每个电芯都可以随时读取，通过有效的主动均衡，也可以让电池的性能跟寿命得到最大程度的保障，这里也给大家一个信心，想做梯次利用的，想做储能的，大家放心的去做，由我们作为你们坚强的后盾，谢谢大家。

（本文根据现场录音整理，未经本人审核）