储能专家分享行业与BMS技术–20230226

储能专家分享行业与BMS技术专家：某大型储能电池管理系统公司 副总经理专家：各位嘉宾大家好，现在我给大家做关于储能 BMS 技术市场发展趋势方面的介绍，今天讲 解的内容主要包括四个方面，第一，储能行业的背景；第二，储能 BMS 技术的介绍；第三，储能 BMS 产业链及发展的分析；第四，储能 BMS 市场的分析。第一部分，储能行业的背景。储能的应用场景也非常广泛，在整个电网系统从电源侧、电网侧、 用户侧都有它的应用场景。电源侧就是发电侧，它能起到平滑波波动，电源调频、消纳弃风弃光等一些 作用。电网侧是电源侧和用户侧的中间环节，所以储能的作用更加明显，它能够起到调峰调频，延缓电力 设备投资，也能够优化电网的潮流。用户侧是电网的末端，作为用户侧来讲，储能够实现削峰填谷，提高 供电可靠性，降低电费，解决配网末端的配电容量的问题，在微电网跟配电网也有它相应的作用。储能虽然现在非常热，整个市场也受到资本的追捧，但是目前国内外储能发展面临的困难也是非常 大的，尤其在国内，主要有三方面的困难。第一是市场主体地位，储能虽然在近期的政策当中，已经明确储能作为电源的市场主体地位，但是由于储能的目前度电成本远不能达到光伏或风电的度电成本，所 以目前没有为储能出台或制定独特的价格机制。第二，即使按照光伏的上网电价，或者火电的上网电价 辅助服务的政策，储能都难以实现盈利。在用户侧，各个省尤其是浙江、江苏、广东等经济发达地区也 出台了一些促进用户侧储能发展的一些电价政策。第三方面，储能是一个新兴的产业，尤其是电池技术， 由于本体的安全问题较为突出，所以储能目前也面临着技术安全风险与安全监管的一些问题。2023 年国家仍然为储能实现规模化发展、高质量发展出台了一些重要的政策。第一，国家能源 局第一次发布信息电力系统发展蓝皮书，国家能源局也在 2023 年的能源监管工作要点当中，对加强 市场监管和安全监管提出了严格的要求，为储能的发展提供了政策监管的约束，相对来说储能的无序 发展可能会得到一些限制。储能在国内发展有什么样的基础和优势？国内发展有三方面的基础和优势。第一，我国有巨大的新 能源发电的需求，也有强大的电网支撑，通过新能源基地的建设，实现即发即并网的条件，同时也可以实 现减少弃风弃光，也能提高电网的消纳能力。第二，储能的产业链比较完整。据不完全统计， 储能相关 的，规模以上的产业链企业已经超过2 万家，为储能产业的发展提供了非常好的产业的支撑。第三，国内尤 其是电化学储能为主的各类新型储能技术研究也投入非常大，也有一些新的突破，为未来多种技术的百花 齐放奠定了基础。作为新型电力系统的重要支撑技术，国家、地方也是持续的推出了一些支持政策，各类高校也非常迅速的完善了教育学科设置，2024 年第一批储能专业的本科以上 的专业人才，也即将面向储能行业。储能当中BMS是一个什么样的角色？储能里面最关键的三要素包括决策系统的EMS、执行系 统PCS、感知系统BMS这三个系统，形成一个有机的整体实现对电池充放电的管理，包括对电池安 全的管理。这个图上可以非常直观的看到，虽然 BMS 的价格在储能系统里的占比不到 6%，但是它 的重要性可想而知，感知是决策的依据，是执行系统的重要的数据来源。大家通常都知道 BMS 是电 池的保姆，是电池的检测、感知。未来的新能源为主体的新型电力系统的发展，储能的作用会日益的显 现出来，所以如何保障储能系统安全、高效、长寿命运行，现有的 BMS 的功能是不能满足未来的发 展需要的，现在的 BMS 的功能主要是 PPT 的左边部分，就是电池状态的检测，主要是模拟量的检测， 电压、电流、温度检测，同时在模拟量的检测基础之上，实现对状态的诊断分析，主要是单体的SOC （Stateof Charge，荷电状态）、SOH （State ofHealth，健康状态）以及各种通讯状态的分析。控制和保护是 BMS 最基本的功能，在电池组充放电过程当中出现过压、欠压、过温、压差过大、绝缘超 标等情况时， BMS 要及时的发出保护信号，甚至要实现最后的保护。充放电管理的主要是响应PCS 和 EMS 的协调控制，实现对电池组的充放电。通讯由于 BMS 是重要的数据来源，包括与 PCS、EMS 内部的 通讯也是非常复杂且重要的。这些功能是 BMS 初级阶段或者储能技术发展的初级阶段所需要的功能。随着储能电站实际应用或者充放电的循环增加，储能电站的最大的问题一个是安全问题，一个是维 护问题。 虽然我们在每一个储能系统里面都配置了消防系统，但大家都知道消防是最后控制事态扩大的一个办法，它无法去预防、抑制安全事故的发生，在这样的情况下，唯独能够解决问题的只有两个方面， 第一，电池本体技术的提升。第二，通过其他感知或者是 BMS 的感知，能提前感知、预测电池的失控 风险。近两年来，电池本体尤其在安全技术上的突破微乎其微，现在磷酸铁锂为主体的锂离子电池的安 全本体的技术突破已经受到材料限制，难以突破，在这样的情况下， BMS 未来必须要承担对电池安全状 态的提前预警和诊断，或者利用大数据、人工智能技术，能够提前去发现电池的一些热失控风险，将是 BMS 的一个重要功能，也是未来 BMS 厂家之间技术差异化的重要指标。第二， 电池到了后期以后， 电池会表现出比较明显的离散性，就是单体之间电压跟容量的差异，在这样的情况下， BMS 能否实现 自动感知，自动维护，减少人工维护，现在的 PACK 工艺自动化程度非常高， 几乎无法通过人工干预 的方式对电池实现维护，而且一旦人工介入，维护的成本也非常高。在这样的情况下，维护对未来储能 系统的重要性不言而喻，维护的主要责任大家还是期待 BMS 的一些智慧化的自动运维等功能。第二部分介绍储能BMS，从架构，重要性和特殊性，目前BMS的技术路线，BMS的重点和 难点四个方面进行介绍。我们都知道新型的电力系统的特点就是源网荷储互动，现在负荷也是电源， 电源在一定程度上也是负荷，所以是一个复杂的源网荷储互动系统。储能在源侧、网侧、荷侧都将发挥不同的重要作用，储能是实现荷随源动、源随荷动或源荷互动的重要支撑技术。储能系统的关键技术主要表现在五个方面。第一，电芯现在由于单体容量较小，所以一个大型的 储能系统都有上百万颗电芯，像 GWh 的储能电站，基本上都要是百万个以上的电芯，是一个复杂的 组成系统。第二，电化学储能系统相对于汽车的电池系统来讲，一般都是 800 伏、1500 伏的高电压， 同时也面临着大电流、长寿命、长循环的要求，这是储能与车最大的区别。尤其对用户侧来讲，未来的储 能系统的循环寿命基本上是 8，000 次以上的要求。第三，作为储能的一个关键组件，现在电池的价格比 较高，储能系统里面电池占到 60%以上的成本。按照新闻所述，2025 年动力市场将达到 TWh的市场 需求，储能将达到百 GWh 以上的市场需求，我认为到 2023 年末，整个市场就会达到100GWh 的需求， 2025年国内外的储能需求预计会达到400-500GWh。第四，磷酸铁锂仍然是国内外诸能的首选，目 前钠离子水系电池发展迅速，超级电容、压缩空气、液流、储氢、重力储能在各个应用场景也各有优势。目前国内磷酸铁锂也形成了像刀片技术，方型铝壳技术的竞争。第五，由于第一梯队像宁德时代，比亚 迪两个巨头电池产能的影响， 2022 年的储能市场为第二梯队的电池厂提供了非常巨大的空间， 2023 年我相信宁德时代、比亚迪会重新重视国内储能市场，随着产能的逐步释放，国内的储能市场竞争会 更加的激烈，第二梯队尤其是现在第三梯队电池厂可能会提前进入到白热化竞争或者洗牌的局面。储能系统里面的决策单元是 EMS， EMS 由于跟电网有密切相关，目前大型储能电站的 EMS 主要还是以具有传统电网背景的一些厂家为主，独立第三方的 EMS 厂家在一些用户侧或者小型的新 能源微网的项目当中有一走的应用市场。PCS是储能的执行单元，目前PCS技术发展也是非常迅速， 在集中式的大功率单机，分布式的、组串式的小功率单机，高压直挂等技术中都有非常典型的应用案例， 技术各有各的长处，在未来巨大的储能市场当中也有各自的生存空间，但是 PCS 与光伏的逆变器的技术t匕较接近，目前的PCS的竞争也非常激烈，尤其是单一的PCS厂家，目前为了提高市场的占有率，已经开始往系统集成商去转型，以三菱电器为例，三菱电器在2022 年也承接了不下于 500MWh 的系统集成 项目，像科华也是通过系统集成的项目来提高它的 PCS 销量。由于光伏行业没有 BMS， 所以BMS 完全是一个随着储能发展起来的新兴技术。储能 BMS 也跟车用动力电池的 BMS 有一定的相似。这边给大家介绍一下大型储能电站的 BMS 的技术架构，大型储能电站的 BMS 一般都有三级架 构，电池系统由电池PACK、电池簇、电池堆构成。BMS也相应的有负责电池PACK检测，电池组 检测，电池堆检测的三级架构，一般电池 PACK 的管理叫从控，电池组的管理叫主控，电池堆的管理 主机叫总控。左边的图上也可以看到，不管是 16 串风冷的，还是 64 串液冷的，目前行业一般都有对 应的参数的从控模块，可以跟PACK进行对应。若干个PACK串联构成了一个电池簇，在电池簇的高 压箱内部要放置一个电池处管理单元，电池处管理单元的主要作用除了收集电池 PACK 各个从控模块 的电池单体的数据以外，同时要采样电池簇的簇端电压，簇端电流以及电池簇的绝缘状态，控制电池簇的断路器，接触器的状态。同时电池簇控制管理单元，通过总线或者通过网络将电池簇的单体信息、均衡信 息、SOC、SOH信息送到电池堆管理单元，电池堆管理单元实现了对电池簇所有信息的汇总，像现在 3-4MW 的大机，一个电池堆达到 18 簇，电池堆管理主机需要汇总 18 个电子簇的所有信息， 并通过 网络与EMS实现数据的交互，实现命令的上传、下达，同时跟PCS实现通讯的闭环，与集装箱内的 其他的一些空调、消防、门禁等辅控系统实现数据的聚合和透传。 其实在集装箱当中， BMS 主机已经承担了集装箱内所有设备信息，包括电子系统信息的采样、聚合、通讯。所以从这个层面来看， BMS 已经成为储能系统单一单元的大脑。随着未来尤其是用户侧技术的发展， BMS 在用户侧的应用场景将承担部分 EMS 的功能，因为在大型的储能系统里面一般都有电 网交互的一些特殊要求，所以一般有电网指定的一些EMS，但用户侧可能就一个集装箱或者就一个储能 柜，去配一套 EMS 系统就显得较为冗余，非常浪费，工程也比较复杂，系统也比较复杂， 所以未来 BMS 实现本地 EMS 的功能将成为一种可能。二级架构跟动力电池的有点类似，就是一个电池簇，若干个电池PACK，若干个电池从控，有一 个电子簇主控实现对电子簇所有信息的采集，实现跟 PCS、 EMS 的通讯，应用场景主要在高压级联， 组串式 PCS 或者用户侧应用场景，工商业储能系统当中一般只有一个电池簇的应用场景，电池簇的容量 一般是百千瓦到数兆瓦。BMS 是储能特有的组成部分，也跟动力 BMS 有一定的相关性，与动力相比，储能 BMS 还是有它 的特殊性。第一，储能系统具有深放电、长循环的要求，尤其到电池系统后期，对电池的一致性要求更为敏感，尤其是用户侧的项目，因为对用户侧来讲，未来削峰填谷将是用户侧储能项目实现收益主要的 商业模式，电池的一致性决定了储能系统循环寿命的长短，决定了储能系统每一次充放电深度以及容量， 在这样的情况下，要求储能系统电池系统有比较高的一致性，反过来也要求 BMS 有比较强的电池均衡 能力，所以一般储能系统都会要求主动均衡技术，一个是因为电池簇数量比较多，单一的电池簇电压又 比较高，车用一般的 300 伏、 500 伏，电池数量有限，也只有一簇，车一开始可能对续航里程有一定的 要求，但是真正消费者买了车以后，他不会在乎我这个车跑多少公里去充电，一般都会留比较多的余量去 充电，储能不一样，能多放一度电就是多一份收益。第二，安全性、寿命和成本的要求，BMS是储