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高特电子徐剑虹:主动均衡控制与管理芯片开发及应用

作者:中国储能网新闻中心 来源:中国储能网 发布时间:2020-10-19 浏览:
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中国储能网讯:9月24—26日,由中国化学与物理电源行业协会联合200余家机构共同支持的第十届中国国际储能大会在深圳鹏瑞莱佛士酒店召开。此次大会主题是“共建储能生态链,开启应用新时代”。 来自行业主管机构、国内外驻华机构、科研单位、电网企业、发电企业、系统集成商、金融机构等不同领域的1621人参加了本届大会。本次大会由中国化学与物理电源行业协会储能应用分会、中国科学院电工研究所储能技术组和中国储能网联合承办。  

在25日上午的“储能系统集成设备及梯次利用专场(下) ”专场,杭州高特电子设备股份有限公司总经理徐剑虹分享了主题报告《主动均衡控制与管理芯片开发及应用 》。会务组对发言人的演讲速记做了梳理,方便大家会后交流、学习,以下是速记全文:

徐剑虹:大家好,我来自高特电子。高特是做电池管理系统的。什么叫电池管理系统呢?大家会讲很多测量电池电压、温度等,我归纳为三点:

第一点就是感知,也就是作为管理电池的管理系统,首先要知道电池的状态,所以我们说感知电池的状态。电池状态就是SOC、SOE、SOP、SOH,还有SOS。什么是SOS,我们把它定义为电池的安全状态state of safety。现在大家都知道,储能的安全是一个非常重要的问题。如何解决这个安全问题,我们拿SOS来评估、评价。所以我们提出了一个电池安全状态的指标。这就是BMS第一个功能,感知。

第二个功能是管理,一个是电池一致性的均衡管理,一个是热管理。

第三个就是保护,电池异常状态的保护,确保储能系统正常运行。

我们从均衡管理的角度来看,电池存在的问题,也就是电池组的离散性。在储能系统中,电池组是由很多的电池串联起来的,比如说6~7百伏的系统,两百多节电池串联在一起,这就有电池容量的离散性问题。如某一节充电充足的时候,有一部分没有被充足,放电有一些放完了,还有一些没有被放完。随着使用时间的增加,电池组离散性越来越大,电池组的容量就会越来越小,这是离散性对电池容量的影响。

我们可以得到一个结论,电池组的实际有效容量小于组内单体电池的实际容量,由于有些电池容量的错位,实际容量比最小的电池容量还要小。第二个就是电池容量的衰减速度,电池组容量的衰减速度远大于单个电池的衰减速度,导致了电池组实际寿命远小于单体电池的寿命。

储能系统对电池组提出了非常严苛的要求,我们总结一下有两个: 第一个是长寿命的要求,刚才已经有人提到,光伏系统要求25年寿命,这就对电池组寿命提出了更高的要求。如何控制电池组离散性对电池寿命的影响,尽量减少电池衰老的速度。

第二个是深循环,一般储能的充放电深度在80%以上,在削峰填谷的应用场景,每多充放一度电,就多一分收益。

被动均衡的问题,大家看这是一个实际的电池放电曲线,大家可以看一下,有些电池掉得特别快,特别早放完电,这时候如何做均衡呢?对被动均衡来说,几乎是无法实现的,如果要以最低电池做标杆的话,就意味着要把所有电池都放到跟最低的电池一样,这几乎做不到,而且能量的损耗非常大。

我们认为,主动均衡技术是未来储能电池管理系统的一个必然趋势,也就是我们只能采用主动均衡的技术来解决电池组离散性的问题。 这是主动均衡的方法树,国际上对主动均衡进行了很多研究,我就不在这展开。

高特对主动均衡做得非常早,我们从2010年开始,就对主动均衡的技术进行了研究。这是我们的专利技术,这个专利技术可以这么来看,也就是在一串电池组中,我们可以选出若干个高电压的电池,通过DC/DC通道把它的能量放到BMS的电源端。反之,可以同样选出若干低电压的电池,从BMS的电源端对它充电。在充放电平衡的情况下,其实这个电源是没有贡献的,也就是高的电池在向低的电池直接转移能量,这样的设计就实现了电池能量在任何电池之间的相互转移,这个转移效率会非常高。

这是一个原理图,大家可以看一下,在这个图里面如果有一个高的电池就可以放电,如果有低的电池就可以充电,把这两个图一合并,就实现了任何一个电池向任何一个电池的能量转移,这是非常理想的均衡原理。

我们都想知道,为什么主动均衡这么好,而用的人很少呢?有两大难点:第一,这个电路很复杂,成本太高了。第二,复杂的电路导致了系统可靠性下降。

如何解决这个问题?为了提高整个系统的可靠性、安全性、降低系统复杂度、降低成本,芯片解决方案是主动均衡的最佳路径。通过把非常复杂的系统变得非常简单,这样成本下来了,可靠性也提高了,就解决了主动均衡的痛点。

我们开发了主动均衡芯片的原理设计,这是一个原理图。大家可以看到,这是原边,原边主要是MOS驱动,中间是光隔,主要是隔离二边的高低压。这是副边,除了有MOS驱动之外,还有开关矩阵的驱动。大家看图,如果这个电路是作为充电回路的时候,原边的MOS管就是开关管,后面的MOS管就是同步整流,可提高电源效率。

这是原边芯片,我们命名为GT3801。

这是副边电路,我们命名为GT4801,这有电流传感器,电流的检测和故障的输出,故障诊断和检测的功能已经做在里面了,这就是故障诊断。故障诊断保护的响应速度非常快,我们现在可以做到的保护速度在13微妙,也就是发生故障的时候,最快可以在13微秒内把电路切断。

芯片的工作电压从10~32伏,这个就是非常宽,也就是可以支持12或24伏的电源系统,芯片支持电池电压的范围是1.2~4.8伏,也就是涵盖了所有类型的电池,理论上都可以支持。

副边带有12路电池开关矩阵驱动,PWM带有1A驱动能力,也就是可以驱动MOS管1A的驱动,在外扩MOS的情况下可以实现5A均衡电流,最大实现的案例是±10A,这个电流非常大了。电池充放电衡流控制精度设计为10%,实际上达到了2%以内。原边芯片自带OSC。

这是充放电波形,不展开了。

这是充放电电流,可以看到在整个温度范围内都非常稳定。

这是异常保护,有过压、欠压、过流、过温等,所有的保护都做了测试,这是测试曲线。这是EMC的测试,也就是对整个芯片完成的电路完成了EMC测试,达到4级的要求。

这个就是芯片的开发板。大家可以看到,这是我们的芯片,中间是隔离,这两个是MOS管,这个就是开关矩阵。

我们的芯片在2018年启动研发,去年9月份拿到了样片,今年3月1日就出来了小批量,大批量就是下个月月初,过了节就可以拿到批量芯片,第一个批量是两万片,也就是可以满足11月、12月的出货要求。

这是最后完成的产品,24串的主动均衡从控模块。

这是高特BMS roadmap。

大家知道做BMS的厂家很多,BMS的技术入门很容易,但真正做好、做精很难。我们从现在的BMS主从架构,做到分布式架构,今天在这里不展开。然后把前端的采集芯片也做了,从2016年到2018年做了前端采集芯片,2018年到现在花了两年时间,我们做了主动均衡的芯片。下一步的目标是在2021到2025年,我们最后要把它做成一个电池传感器,实现BMS电池感知的目标,真正把电池状态的检测计算等全部能够做在一个传感器内,这是我们未来的发展路径。

简单做个广告,高特1998年成立,一直做电池检测和电池管理系统产品。

这是我们的办公楼,这是我们的生产厂房。

我们2010年开始做储能项目,2012、2013年做了张北、南麂岛、南网宝清等项目,还有东极岛、西藏尼玛等。2018年我们做了很大的两个项目,江苏镇江100兆瓦时和湖南长沙芙蓉变52兆瓦时的储能项目。前几年总共累加起来已经有超过600兆瓦时的储能BMS。

高特有国内专利71项,近30项是发明专利,海外专利5项。

我们的产品通过芯片集成,整个可靠性可以做得非常高,目前达到的水平是小于1000PPM,今年争取做到500PPM。高特除了质量管理系统认证ISO9000、IATF16949外,也有UL 、TUV、船级认证等。

我的介绍比较简单,也不占用大家太多时间。

关键字:储能

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