高特电子徐剑虹：主动均衡技术是未来储能电池管理系统的趋势

储能系统当电池组用到一定深度的时候，尾部放电时候电池的离散性就会表现出来，所以为了保证电池组深充深放容量必须要求储能BMS具有很强的均衡管理能力，所以结论主动均衡技术是未来储能电池管理系统的趋势。

——杭州高特电子设备股份有限公司总经理 徐剑虹

2020年8月26-28日，由中国能源研究会、中关村管委会、中关村科学城管委会指导，中国能源研究会储能专委会、中关村储能产业技术联盟、中国科学院工程热物理研究所联合主办的“第九届储能国际峰会暨展览会”在北京召开。峰会主题聚焦“聚储能十年之势，创产业十四五新机”，同期举办储能联盟十年纪念论坛。北极星储能网、北极星电力APP对本次峰会进行全程直播。

在8月26日举办的“储能创新论坛”上，杭州高特电子设备股份有限公司总经理徐剑虹做了“主动均衡技术是未来储能电池管理系统的趋势”的报告分享。

杭州高特电子设备股份有限公司总经理 徐剑虹

徐剑虹：刚才前面的专家都讲的非常宏观，都是一些储能项目的应用或者一些案例，我就讲一些微观的东西。

高特是做BMS的，BMS到底是干什么的，什么是BMS，大家的说法有很多，以我的经验，我把它总结了一下，BMS无非就是解决三个问题，一个是感知，感知电池的状态，这就是BMS的基本功能，不管测电压、测电阻、测温度，最后就是一个感知电池状态，我们想知道电池状态什么样，现在也多少能量，多少容量，现在健康状态怎么样，现在有多少功率，现在安全状态怎么样，这就是感知。第二个就是管理，有人说BMS是电池的保姆，那这种保姆就要去管理，管理什么，就要把这个电池尽可能用好它，最基本就是均衡管理、热管理。第三个是保护，保姆还要做一个工作，如果电池出了一些状态，它要去进行保护，我想电池管理系统不管大家怎么解释，无外乎就这三个功能。

我们来看一下，有很多电池构成的电池簇，又有很多簇构成堆等等，当很多电池在一起成组的时候，就会存在着离散性，由于电池制造的材料工艺存在着离散性，使用环境的离散性导致电池组性能不一致，一些电池无法充足或者无法放出足够的电量。第二个环境，比如做电池模组的时候，周围一圈温度肯定比中间要低，哪怕其他参数完全一样，这个电池模组经过一段时间循环使用，也会表现出差异性来。所以电池组非一致性或者离散性是电池运行的一种必然表现，这样有可能导致整组电池容量下降，进而导致电池阻有效可用寿命下降，这是一个严重的问题。我们可以看到两个结论，第一个结论电池组实际有效容量小于实际单体容量，比如拔河，如果有一人一百公斤他就可以使出100公斤的力来，如果四个人都是一百公斤，他的合力不等于四百公斤，电池也是一样，有它的离散性，还有跑马拉松，出发的时候大家在一条起跑线上，跑着跑着距离拉开了，电池也是如此。第二个电池组容量衰减速度远大于电池单体容量的衰减速度，就是电池厂在出厂的时候，告诉大家一个电芯在100%DOD情况下能达到4000次循环，但当成组的时候一定达不到4000次，这个大家都理解，大家可以看到我刚买的一组电池，新的时候是红色的，西格玛很窄，Q值很高，就是它的容量越来越小，离散性变得越来越大，这就是电池的正态分布所表现出来的时间曲线。

在储能系统当中有两个重要的要求，第一个长寿命，对电池组寿命提出了很高的要求，我刚才记得前面的专家在说的时候是10年，我们国内大部分在提15年的寿命，15年的寿命大家算一下，如果一年算300次，15年是多少，所以这个要求还是非常高的，我们认为BMS能够干什么？尽可能的去发挥每一个电池应有的寿命，使得整个电池总的寿命尽可能达到设计的寿命，减少电池离散对电池组寿命的影响，这是BMS应该做的一件事情，就是我刚才讲的均衡管理。第二个在储能系统应用当中，深循环是它的特点，尤其是在削峰填谷应用场景，多放出一度电多一分收益，也就是说我们会做80%DOD或90%DOD，储能系统当中用到这个深度的时候，尾部放电时候电池的离散性就会表现出来，所以为了保证电池组在深充深放条件下每个单体容量的充分释放，必须要求储能BMS具有很强的均衡管理能力，抑制电池单体间一致性的出现，因此主动均衡技术必将是未来储能电池管理系统的趋势。

高特一直在做电池管理系统，这个大家都知道，我们在2010年的时候就开始专注做储能电池管理系统，做主动均衡技术，这个是在2013年申请的专利，这个专利最基本的原理，就是在一串电池组当中打个比方有两百串电池成为一个电池组，刚才已经讲过这是个正态分布电池组，如果里面充放有20个，在排序下挑出最高电压10个跟最低电压10个，最高电压可以放到BMS的供电电源母线，低的可以从母线充电，所以这就构成了任何一个电芯向任何一个电芯进行均衡的功能，大家看一下这是一串电池，如果有一节电池高，我可以把它放到供电母线，如果这个电池低了，可以从供电母线充电，如果把这两个合并，大家看到任何一个电芯可向任何一个电芯转移能量，这就是我们申请专利的拓扑原理，非常简单方便。为了提高系统的可靠性、安全性，降低故障率，降低系统复杂度、降低系统成本，芯片解决方案是解决主动均衡的最佳路径。

主动均衡为什么很难被大家接受呢？两个原因，一成本高，第二个系统太复杂了，故障率会变高，为了解决这个问题，所以我们提出了芯片的解决方案。

我们主动均衡芯片是从2018年开始，今年3月份小批量试制完成，研发了一个芯片，这是一个芯片组，这是个原理图，这是一个双向的反接电路，在这边驱动MOS管前端有一个芯片，在这个MOS管后端有一个芯片，这两个芯片之间通过光交换信息，后端的电源由前端提供，这就是芯片的一个工作的原理，它的特点最高可以支持12串电池的能量交换，双向同步皆是均衡，最高支持5A均衡电流，转换效率可以达到85%，原副边双芯设计，原副边都有保护，有一路独立的DCDC电源辅助，这个是一个开关矩阵，芯片也可以驱动这个开关矩阵。这是一个原边的芯片，大家可以看到，第一个驱动原边的开关管，第二个驱动副边的开关管，当然它的工作模式如果是充电模式，它是开关管，后面是同步整流，转过来如果是放电模式，这是一个开关管，这是一个可逆双向的开关驱动，这可以看到这是一个故障的信息，它是一个逻辑判断，这是一个故障输出信号，大家可以看到具有了硬件功能安全模块，我们对所有故障用硬件方式进行判断跟保护。这是个副边的芯片，副边对这里有一个电流，电流输入之后ICD信号进行比较，调节控制，输出的电流，我们输出的电流对电池端，不论充电还是放电都是恒流源，恒流源有一个好处非常安全，有些哪怕短路了，恒流源也不会导致过流的发生。这个保护是从这边信号的判断来进行判断，这是一个信号输出，就是它可以通过这个告诉前端发生了什么，比如任何一个开关的损坏、过压、过流等等，都可以进行保护。

主动均衡主要性能指标工作电压是10到32伏，支持电芯从1.2伏到4.8伏，涵盖了目前三类锂电池，工作的温度从零下40度到正85度，这个满足的车规级的要求。这是一个测试验证，这是充电时候的充电曲线，这是放电的曲线，绿色的是个电流信号，这是开关频率，开关频率在零下40度到85度这个范围内它的变化是非常小的，基本可控，大约在正负2%的波动。这是高低温的曲线，从零下40度到正85度，这个误差非常小，大约只有2%到3左右的误差，这个是异常保护，就是这个芯片自带硬件级别的保护功能，如果电源欠压或者过压了，都可以实现快速的保护，这是电流输出，如果欠流跟过流，比如设定2A，如果超出了，也会迅速的切断，这是对电池端的欠压跟过压保护，大家可以看到响应速度非常快，我们基本设定时间最快在13个微秒，这个信号只要一发生就切断保护，当时实际使用的时候不会采用这么快的速度，一般大概在一秒左右，所以响应速度保护还是非常快、非常安全的。这是EMC，就是芯片本身要通过EMC设计，我们达到世界标准，世界标准就是电压峰值在四千伏，在5K到100K两个频定做测试，电源端跟IO端都做了测试，这个要求是非常高的，是需要每个芯片都要达到，包括电路设计，所有产品都要达到这个要求。

高特未来的roadmap是什么，大规模出货，第二块已经把前端芯片做了，第三步已经完成，今年下半年会大批量出货，我们未来要做是什么？会做传感器，真正放到电芯内的，这就是高特的整个roadmap，高特一直在做电池管理系统，可以说走在了行业的前面，不但做了产品，而且延伸到了芯片。谢谢大家。