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圖1、電化學儲能系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡圖

完整電化學儲能系統(tǒng)主要由電池組、電池管理系統(tǒng)BMS芯片、能量管理系統(tǒng)(EMS)、儲能變流器(PCS)以及其他電氣設備構(gòu)成。

一套完整的電化學儲能系統(tǒng)中，電池組成本占比最高達60%，其次為儲能逆變器20%，能量管理系統(tǒng)10%，電池管理系統(tǒng)和其他電氣設備各占5%。

圖2、儲能系統(tǒng)成本和技術(shù)簡況

電池組是儲能系統(tǒng)最主要的構(gòu)成部分。電池組一般采用模塊化的組成方式，由電芯組成模組，模組放于電箱內(nèi)，電箱組成電池柜，成為一個儲能單元。儲能系統(tǒng)所使用的能量型電池，能量密度高，一次充電可以提供更長的使用時間。能量型電池的另一個特點是壽命長，這一點對儲能系統(tǒng)是至關(guān)重要的。消除晝夜峰谷差是儲能系統(tǒng)的主要應用場景，而產(chǎn)品使用時間直接影響到項目收益。主要的電池組廠商包括寧德時代、比亞迪、LG新能源、松下、三星SDI、SK On、中創(chuàng)新航、億緯鋰能、國軒高科、欣旺達等。

圖3、電池組結(jié)構(gòu)簡圖

  儲能變流器可以控制儲能電池組的充電和放電過程，進行交直流的變換。

圖4、儲能變流器工作流

  能量管理系統(tǒng)(EMS)，即Energy Management System，主要功能包括儲能系統(tǒng)設備(PCS、BMS、電表、消防、空調(diào)等)數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)分析展示以及能量調(diào)度(主要體現(xiàn)為運行經(jīng)濟運行策略及安全保護策略)。能量管理系統(tǒng)負責數(shù)據(jù)采集、網(wǎng)絡監(jiān)控和能量調(diào)度等，是電池組、電池管理系統(tǒng)以及儲能變流器之間的連接紐帶，還負責電池管理系統(tǒng)BMS芯片與配電網(wǎng)調(diào)度系統(tǒng)接口，接受調(diào)度指令，完成諸如蓄電池充放電控制、獨立離網(wǎng)系統(tǒng)支持、削峰填谷以及新能源發(fā)電平滑輸出等電網(wǎng)實際應用。EMS主要用于微電網(wǎng)內(nèi)部能量控制，維持微電網(wǎng)功率平衡，保證微電網(wǎng)正常運行;需求和應用場景多種多樣，軟件系統(tǒng)的工作量極大;可滿足中小型商用級儲能系統(tǒng)的現(xiàn)場能量調(diào)度需求，大型儲能系統(tǒng)會涉及到電網(wǎng)側(cè)的調(diào)度。

圖5、決策層的EMS

  電池管理系統(tǒng)BMS芯片負責電池的監(jiān)測、評估、保護以及均衡等，通過通訊的方式上傳電池相關(guān)信息和狀態(tài)，防止電池的過充與過放，占整套電化學儲能系統(tǒng)的成本比例約為5%，由于這個環(huán)節(jié)比較獨立，可以做到單體利潤最大化，頗具市場潛力。BMS在整個電化學儲能系統(tǒng)中起至關(guān)重要作用。儲能的BMS還需要與電網(wǎng)進行通訊，控制諧波、頻率等關(guān)鍵參數(shù)，并實現(xiàn)與儲能變流器(PCS)以及能量管理系統(tǒng)(EMS)的信息交互，PCS控制器通過CAN接口與BMS通訊獲取電池組狀態(tài)信息，可實現(xiàn)對電池的保護性充放電，確保電池運行安全。

圖5、BMS的三層架構(gòu)

  BMS主要由電池陣列管理單元(BAMS)、電池蔟管理單元(BCMS)以及電池管理單元(BMU)組成。電池陣列管理單元是BMS中的“上位機”，負責對整個BMS系統(tǒng)的數(shù)據(jù)進行收集和分析判斷、控制，具備完善的事件記錄及歷史數(shù)據(jù)存儲，包括電池系統(tǒng)充放電、運行參數(shù)設定等。電池簇管理單元負責對電池管理單元進行監(jiān)測、控制，包括電池故障診斷，均衡控制策略、剩余電量預估等。電池管理單元負責對電池模組的電壓、溫度進行采集和上傳，并實現(xiàn)電池單體間電量雙向高效主動平衡。

圖6、BMS的結(jié)構(gòu)組成簡圖BMS中的核心器件之一是電池管理芯片，屬于電源管理細分賽道，電池計量芯片用于確定電池的電量狀態(tài)(SoC)和健康狀態(tài)(SoH)，進行電池荷電狀態(tài)估算;電池安全芯片主要分為電池監(jiān)測、電池保護和電池均衡芯片，避免出現(xiàn)過充、過放、過流和短路等故障;充電管理類芯片用于完成電壓轉(zhuǎn)換、調(diào)節(jié)，電池充電管理以及過壓過流保護等功能。假設每個電池簇參數(shù)為48V/280Ah，對應需要一顆16顆AFE采樣芯片。儲能電站均采用主動均衡策略，每個電池簇需要16顆主動均衡芯片。在旺盛的市場需求驅(qū)動下，2023年預計能實現(xiàn)在儲能應用領(lǐng)域量產(chǎn)電池均衡芯片、電池計量芯片的企業(yè)出貨量會增加明顯。各個電池簇的信息再經(jīng)由隔離通訊接口上傳至中樞MCU，進行統(tǒng)一調(diào)配。電池管理芯片原廠有德州儀器、亞德諾/凌力爾特、亞德諾/美信、微芯/愛特梅爾、英飛凌、恩智浦、瑞薩/英特矽爾、松下、意法半導體、安森美、羅姆、TELECHIPS、Dukosi、MPS、凹凸科技、航天民芯、必易微、中微半導、賽微微電、圣邦、微源、南芯、集澈、納芯微、創(chuàng)芯微、賽芯電子、猿芯半導體、鈺泰、杰華特、華泰半導體、矽力杰、穩(wěn)先微、比亞迪半導體、琪埔維、上海博通、中穎、芯海、禹創(chuàng)、英銳芯、芯朋、英集芯、思瑞浦、希荻微、鴻翼芯、力芯微、意瑞、中科阿爾法、芯進等。

圖7、AFE采樣芯片主要型號和市場價格

  BMS中的另一個核心器件是MCU，負責電流采集和電池包的總壓采集、充放電邏輯控制、電池健康狀態(tài)計算、對外通信 (通常需要CAN通信隔離收發(fā)器)等。MCU的供電一般采用隔離供電，電池經(jīng)過隔離DC-DC降壓變換器給MCU供電以及控制充放電MOS電路進行電池包的充放電管理。MCU芯片供應商主要有德州儀器、意法半導體、恩智浦、英飛凌、瑞薩、中穎、雅特力、兆易創(chuàng)新、君正、芯海、國民技術(shù)、紫光國微、極海、新唐、樂鑫、航芯、博通集成、復微、銳能微等。

圖8、BMS硬件簡圖

  BMS中的電池電流采集后需要ADC芯片轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，集成在MCU內(nèi)部的，或者獨立的。ADC芯片供應商有德州儀器、意法半導體、亞德諾、瑞薩、貝嶺、思瑞浦、圣邦微、芯海、必易微、晶華微、芯佰微、迅芯微、治精微、類比、智毅聚芯等。數(shù)字隔離方面，主要用在高低壓之間的數(shù)字通信，比如在BMS主控板上的高壓采樣與MCU之間的SPI通信，以及采樣板AFE與MCU的SPI通信。數(shù)字隔離芯片又可以分為數(shù)字隔離器、隔離通訊接口(CAN、LIN、485等)，數(shù)字隔離器主要用于將輸入信號傳遞到與輸入隔離的輸出端口，隔離通訊接口則加入了通訊協(xié)議的解析功能，可以將通訊鏈路上的信號轉(zhuǎn)化成MCU/SoC易處理的格式。數(shù)字隔離芯片主要供應商有德州儀器、亞德諾、芯科、博通、英飛凌、羅姆、安森美、琪埔維、榮湃、納芯微、川土微、格勵微科技等。當然，除了使用數(shù)字隔離器外，也可以使用光耦、或者變壓器隔離方案。光耦廠商有安森美、東芝、博通、ISOCOM、億光、光寶、奧倫德、先進光半導體、國晶微、華聯(lián)等;變壓器原廠有國巨/普思、TDK、勝美達、田村、臺達、光寶、京泉華、可立克、順絡電子、銘普光磁、麥捷科技、伊戈爾、永創(chuàng)星科技、中富電路、阿圖姆、維勝科技、柔性磁電、格利爾、菲力克斯、云創(chuàng)電子、大忠、慧華電子、利通、鴻華、貝塔、麥新、輝燁、海能達、普奧、立一、星火電子、中策億特、舜大、裕正、立強、三盛源、達鑫、經(jīng)緯達、宜興文達、恒升、德瓏、安登利、科德電子、聯(lián)泰興、創(chuàng)世富爾、鴻潤恒一、雅瑪西等。BMS里用到了CAN、LIN、485等通訊方式，同樣需要芯片支撐，這里的芯片原廠有微芯、英飛凌、亞德諾、恩智浦、意法半導體、芯力特、思瑞浦、納芯微、川土微、致遠、金升陽、維安、格勵微、貝嶺、中微愛芯等。