“极致成本向左，本质安全向右”-谈谈锂电池储能系统的发展趋势

极致成本 or 本质安全？

1 快速增长的电化学储能电站

根据CNESA全球储能项目库的不完全统计，截至 2021 年底，全球已投运电力储能项目累计装机规模 209.4GW， 同比增长 9%。其中，抽水蓄能的累计装机规模占比首次低于 90%，比去年同期下降4.1个百分点；新型储能的累计装机规模紧随其后，为 25.4GW，同比增长67.7%，其中， 锂离子电池占据绝对主导地位，市场份额超过 90%。

2021 年度，全球市场中，储能电池（不含基站、数据中心备电电池）出货量排名前十位的中国储能技术提供商，依次为：宁德时代、鹏辉能源、比亚迪、亿纬动力、派能科技、国轩高科、海基新能源、中创新航、南都电源和中天科技。

图文来自CNESA《储能产业研究白皮书 2022》

2 储能BMS三级架构

通常而言，锂电池储能具备容量大，电压高的特性。这么说可能没什么概念。以比亚迪汉为例，续航600公里的电池能量为85.4kWh。而单个40尺集装箱储能有的厂家已经快到6000kWh，相当于70+辆纯电动车。

图片来自BYD汽车公众号

图片来自阳x电源官网，1500V储能系统示意图

国内的储能系统几乎都是使用磷酸铁锂电池。单体电芯的额定电压为3.3V。以1000V的储能系统为例，单簇电池的电芯串联数量≥300（1000/3.2）。

由于需要管理的电芯数量多，储能的BMS一般按照三级分布式架构设计，分别为从控、主控、总控。

从控：电池单体管理单元BMU，负责采集一个模组内的单体电池信息如电压、温度，计算分析电池的SOC和SOH，实现对单体电池的主动或者被动均衡，并通过CAN接口将信息上传。通常一个模组由十几个电芯串联而成。

主控：电池簇管理单元/系统，不同的厂家叫法不一样，BCMS/BCMU/BCU都有，它负责收集BMU上传的各种电池信息，采集电池组的组电压、温度、电流、总电压信息，漏电检测，状态异常时断电保护；计算分析电池组的SOC和SOH，并通过CAN接口将信息上传。通常一个电池簇由10-20多个电池模组串联而成。

总控：电池阵列管理单元BAMS，对整个储能电站的电池进行集中管理。向下连接各个电池簇管理单元，采集电池簇管理单元上传的各种信息；向上与能源管理系统进行信息交互，通过以太网上传采集的电池信息，接收EMS系统下达的电池运行参数；通过CAN或RS485与变流器通信，BMS将电池状态量及异常信息发送给变流器PCS，PCS接到BMS告警信息后应进行相应的保护动作。

图片来源网络。侵删

3 极致成本

在一套电化学储能系统中, 电池成本占比高达60%左右。近年来，储能行业规模扩张高歌猛进，叠加降本压力，业内对储能电池高经济性提出迫切需求。从最基本的组成元素-电芯角度，大容量的电芯越来越受追捧。

2020年，宁德时代推出主打长循环寿命的280Ah电芯，逐渐替代原有的50Ah-100Ah电芯。

今年5月，楚能新能源发布“楚能一号”产品，电芯容量为280Ah，单体电芯循环寿命号称超过1万次。

8月，厦门海辰储能发布首款300Ah电力储能专用电池和大圆柱户用储能专用电池。

10月，亿纬储能更是发布了全新一代储能电池LF560K，将电芯容量进一步推高至560Ah。（个人猜测，里面可能是两个280的并联一起？）

大容量电池通过降低并联数、摊薄电池结构件成本、减少系统成组零部件数量、简化生产线工艺、减少设备数量、减少人工投入等，降低储能系统成本。

另一方面，汽车行业的CTP，CTC等理念也正在应用储能系统的设计中，例如目前比亚迪储能的当家产品-Cube储能系统，已经运用了动力电池的CTP（无模组电池包）设计理念，取消电池模组层级，内部将采用液冷系统代替传统风冷系统，同时取消集装箱内部过道，仅需单侧开门即可完成全部安装和维护工作，从而带来体积层面的优化。

无论是大容量电芯的使用还是CTP理念的设计，其背后的驱动力是降本增利，即降低度电成本，提高资方的投资收益。

4 本质安全

本质安全是指通过设计等手段使机器、设备本身具有安全性，当系统发生故障时，机器、设备能够自动防止操作失误或引发事故；即使由于人为操作失误，设备系统也能够自动排除、切换或安全地停止运转，从而保障人身、设备和财产的安全。

组成锂电池的化学材料特性，天然导致需要对其进行精准化管理，才能真正做到本质安全。从能量密度角度来看，大容量电芯、高电压平台和CTP的使用，使得单位体积的空间内聚集了更多的能量。这无疑增加安全风险。如容量增大会导致电池自身散热性能变差、电芯鼓胀问题更加突出，进一步导致过充和热失控难以应付；CTP的 应用也对电池内在一致性和温场分布一致性提出更高要求，因为锂电池的寿命对温度和DOD极为敏感。

本图摘自华为的《智能组串式储能技术》

为了实现本质安全的设计，在追求单次投资的极致成本同时，我们仍需考虑如何实现储能系统全生命周期内安全可靠和投资的价值。

业内已有一些探索成果。如清华大学电机系慈松教授提出的“数字储能系统解决方案”：“在数字化电池能量交换系统中，模拟能量流被以网络化连接的高频MOSFET电力电子开关离散化成为时间序列上的“能量片”（energy slice），离散化后的“能量片”上附加其他信息数据，如电池资产的所有者、电池电荷状态、电池健康状态等信息。通过采用程序控制的电池网络控制器对来自不同电芯的“能量片”进行重组和优化，去除电池能量产生和使用过程中的不确定性和非线性，彻底屏蔽了电池物理和化学上的差异性，克服短板效应，进而提升了电池储能系统性能，可重构电池网络对电池管理技术的范式创新原理图如图1所示。”

图文来自网络新闻

华为在2021年3月发布的《智能组串式储能技术》也提出类似设计：

“智能组串式储能解决方案是将数字信息技术与光伏、储能技术进行跨界融合，基于分布式储能系统架构，采用电池模组级能量优化、电池单簇能量控制、数字智能化管理、全模块化设计等创新技术，实现储能系统全生命周期内更高放电、更优投资、极简运维、安全可靠的价值。

智能组串式储能解决方案相比传统的集中式储能系统解决方案，设计理念上有三点显著的差异，一是组串式，二是智能化，三是模块化。”

图文摘自华为《智能组串式储能技术》

此外还有不少储能龙头企业也有推出或者布局DCDC+电池BMS一体化的技术 + 云端全生命周期监控管理方案。

不是总结的总结

“碳中和”是国家发展的挑战和机遇，而电化学储能/新能源车是其中非常重要的一环。如何让人们无忧无虑地使用电池，应为锂电人追求的目标和该有的情怀。

如有帮助，记得点赞，在看和转发哦。

 作者：跨界程序员Vincent