2023年6月22日，據(jù)日本電子巨頭東芝公司公布，該公司已經(jīng)開(kāi)發(fā)出了一種可以通過(guò)BLE（藍(lán)牙低功耗）無(wú)線監(jiān)控充電狀態(tài)的技術(shù)，此技術(shù)主要應(yīng)用于監(jiān)控工廠及各類(lèi)基礎(chǔ)設(shè)施中的蓄電池系統(tǒng)，實(shí)時(shí)掌握每個(gè)蓄電池模塊的充電狀態(tài)。在一系列的演示實(shí)驗(yàn)和理論研究之后，這個(gè)基于特定蓄電池系統(tǒng)規(guī)格的方案已被證明可行。

值得注意的是，東芝公司此次采用的是被稱(chēng)為BLE的通用無(wú)線通信標(biāo)準(zhǔn)，據(jù)稱(chēng)，他們是全球首個(gè)運(yùn)用此項(xiàng)技術(shù)實(shí)現(xiàn)充電狀態(tài)監(jiān)控的公司。他們將不斷進(jìn)行相關(guān)研究和開(kāi)發(fā)，以期在2025年實(shí)現(xiàn)這項(xiàng)技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用。

蓄電池系統(tǒng)無(wú)線監(jiān)控圖片

用于基礎(chǔ)設(shè)施的蓄電池系統(tǒng)通常由嵌入金屬外殼內(nèi)的20個(gè)或更多蓄電池模塊組成，金屬外殼是一個(gè)封閉的空間。蓄電池模塊本身也是組合了多個(gè)電池單元的組合電池。

蓄電池系統(tǒng)配置

蓄電池系統(tǒng)配備了BMU（Battery Management Unit），對(duì)各個(gè)蓄電池模塊的電壓和溫度進(jìn)行監(jiān)控和控制，蓄電池模塊還配備了CMU（Cell Monitoring Unit），對(duì)電壓和溫度進(jìn)行監(jiān)控每個(gè)電池單元的。BMU利用從CMU獲取的各個(gè)蓄電池模塊的電壓和溫度數(shù)據(jù)來(lái)監(jiān)控充電狀態(tài)，控制過(guò)放、過(guò)充、溫升等問(wèn)題的原因，防止出現(xiàn)以下問(wèn)題：過(guò)放、過(guò)充、溫升，操作安全。

監(jiān)控蓄電池系統(tǒng)中蓄電池模塊的 BMU

監(jiān)控蓄電池模塊電池單元的 CMU

如何用無(wú)線監(jiān)控代替有線監(jiān)控并應(yīng)對(duì)高通訊錯(cuò)誤率

目前，蓄電池系統(tǒng)的充電狀態(tài)監(jiān)測(cè)一般采用“有線監(jiān)測(cè)”的方式，即BMU和CMU之間通過(guò)有線連接進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。此次開(kāi)發(fā)的技術(shù)最大的特點(diǎn)是，BMU和CMU之間的數(shù)據(jù)通信可以被使用BLE的“無(wú)線監(jiān)控”取代，BLE是一種通用無(wú)線通信標(biāo)準(zhǔn)，也用于智能手機(jī)。

然而，當(dāng)通過(guò)無(wú)線通信連接蓄電池系統(tǒng)金屬外殼內(nèi)的BMU和內(nèi)置于20多個(gè)蓄電池模塊的CMU時(shí)，由于相互干擾以及外殼內(nèi)無(wú)線電波反射的影響，變得不穩(wěn)定。此外，當(dāng)組合多個(gè)蓄電池系統(tǒng)以擴(kuò)大規(guī)模時(shí)，蓄電池系統(tǒng)之間可能會(huì)發(fā)生相互干擾。實(shí)施無(wú)線監(jiān)控的最大問(wèn)題是由于這種不穩(wěn)定性而導(dǎo)致的高通信錯(cuò)誤率。

無(wú)線監(jiān)控因相互干擾，通信誤碼率較高

對(duì)于采用有線監(jiān)控的蓄電池系統(tǒng)，需要進(jìn)行設(shè)計(jì)，使得在10年的使用期內(nèi)（即鋰離子電池的產(chǎn)品壽命）內(nèi)不會(huì)出現(xiàn)超過(guò)一次通信錯(cuò)誤。有線監(jiān)控一般監(jiān)控周期為300～600ms，在該監(jiān)控周期內(nèi)BMU與CMU之間進(jìn)行一次通信。如果在10年的使用期間發(fā)生一次或更少的通信錯(cuò)誤，則每個(gè)監(jiān)測(cè)周期的通信錯(cuò)誤率是10-10數(shù)量級(jí)的極小值。

利用新開(kāi)發(fā)的技術(shù)，為了在無(wú)線監(jiān)控中實(shí)現(xiàn)相當(dāng)于每個(gè)監(jiān)控周期10-10個(gè)數(shù)量級(jí)的通信錯(cuò)誤率，需要設(shè)計(jì)一種允許單一延遲并防止連續(xù)延遲的系統(tǒng)。該設(shè)計(jì)采用“跳頻”，通過(guò)在 2.4 GHz 頻段（BLE 使用的頻率）內(nèi)高速切換頻率來(lái)盡可能減少相互干擾的影響。

如何利用BLE實(shí)現(xiàn)無(wú)線監(jiān)控有線監(jiān)控所需的通信誤碼率

具體地，將有線監(jiān)控的300～600ms的監(jiān)控周期分為100～200ms的三個(gè)子周期，如果這三個(gè)子周期中的每一個(gè)子周期中出現(xiàn)3次通信錯(cuò)誤，則判定發(fā)生了通信錯(cuò)誤。其目的是停止對(duì)存儲(chǔ)模塊的充電和放電。通過(guò)這種設(shè)計(jì)，無(wú)線電監(jiān)測(cè)每個(gè)子周期所需的通信錯(cuò)誤率大大降低，約為10-4 。

在演示實(shí)驗(yàn)中，在兩個(gè)相鄰的蓄電池系統(tǒng)中安裝了兩組BMU和11個(gè)蓄電池模塊，并連續(xù)測(cè)量了96小時(shí)（4天）通過(guò)BLE連接BMU和CMU進(jìn)行無(wú)線監(jiān)控的通信延遲。 。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，如果監(jiān)視周期為160ms或更小(小于最大子周期200ms)，則可以將通信錯(cuò)誤率抑制到10-4或更小。這意味著使用BLE的無(wú)線監(jiān)控可以實(shí)現(xiàn)與有線監(jiān)控相同的通信錯(cuò)誤率，低于每10年一次。

進(jìn)行演示實(shí)驗(yàn)的蓄電池系統(tǒng)的配置

演示實(shí)驗(yàn)中通信延遲的測(cè)量結(jié)果

適用于80個(gè)蓄電池模塊的蓄電池系統(tǒng)

隨著基礎(chǔ)設(shè)施用蓄電池系統(tǒng)應(yīng)用于可再生能源穩(wěn)定供電、鐵路、船舶、VPP（虛擬發(fā)電廠）等廣泛領(lǐng)域，未來(lái)基礎(chǔ)設(shè)施用蓄電池系統(tǒng)的市場(chǎng)規(guī)模預(yù)計(jì)將擴(kuò)大。根據(jù)調(diào)查結(jié)果，到2035年，全球固定式蓄電池市場(chǎng)（容量基礎(chǔ)）將擴(kuò)大至2020年水平的約4.3倍。

市場(chǎng)規(guī)?；谛铍姵厝萘?。到 2035 年，與 2020 年相比，固定電池將增長(zhǎng)約 4.3 倍，汽車(chē)電池將增長(zhǎng)約 14.2 倍。

在這個(gè)日益繁榮的市場(chǎng)環(huán)境下，對(duì)基礎(chǔ)設(shè)施電池存儲(chǔ)系統(tǒng)進(jìn)行無(wú)線監(jiān)控有諸多好處。不再需要用于有線監(jiān)控的通信電纜，這無(wú)疑降低了組裝成本，并且在組裝過(guò)程中也可以避免因接線錯(cuò)誤而產(chǎn)生的問(wèn)題。該技術(shù)還能簡(jiǎn)化系統(tǒng)維護(hù)，強(qiáng)化絕緣措施，提高安裝靈活性。另外，由于它采用了廣泛應(yīng)用于消費(fèi)產(chǎn)品中的BLE技術(shù)，因此可以很有效地降低無(wú)線監(jiān)控系統(tǒng)的成本。

在本次的演示實(shí)驗(yàn)中，采用了由兩組BMU和11個(gè)蓄電池模塊組成的蓄電池系統(tǒng)，據(jù)悉，這種方案完全適用于由80個(gè)蓄電池模塊組成的系統(tǒng)。

值得一提的是，盡管這次公開(kāi)的是基礎(chǔ)設(shè)施用蓄電池系統(tǒng)的技術(shù)開(kāi)發(fā)，但這種技術(shù)在汽車(chē)電池領(lǐng)域也具有很大的應(yīng)用潛力。預(yù)計(jì)到2035年，汽車(chē)電池的市場(chǎng)規(guī)模將擴(kuò)大到2020年的約14.2倍，其潛在市場(chǎng)巨大。然而，汽車(chē)電池可能會(huì)有更高的要求，這意味著在未來(lái)需要更進(jìn)一步的開(kāi)發(fā)和優(yōu)化。

這次的詳細(xì)開(kāi)發(fā)成果將在2023年6月22日（當(dāng)?shù)貢r(shí)間）在意大利佛羅倫薩舉行的通信技術(shù)國(guó)際會(huì)議VTC2023-Spring上公開(kāi)。