適用于液流電池儲(chǔ)能系統(tǒng)的電池管理系統(tǒng)

李 峰

上海電氣集團(tuán)股份有限公司 中央研究院 上海 200070

1 儲(chǔ)能系統(tǒng)對(duì)比

電能是信息社會(huì)重要的、必不可缺的二次能源,是經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展的保障。風(fēng)能、太陽(yáng)能、潮汐能等可再生能源被認(rèn)為是未來(lái)電能的有效來(lái)源,在世界范圍內(nèi)被大量使用。為保證可再生能源發(fā)電系統(tǒng)的穩(wěn)定供電,應(yīng)以蓄電儲(chǔ)能的方式進(jìn)行調(diào)節(jié)[1]。目前,主流的儲(chǔ)能方式有電磁儲(chǔ)能、物理儲(chǔ)能、化學(xué)儲(chǔ)能,化學(xué)儲(chǔ)能包括鋰電池儲(chǔ)能、液流電池儲(chǔ)能、鈉硫電池儲(chǔ)能、鉛酸電池儲(chǔ)能等[2]。鋰電池儲(chǔ)能近幾年得到了廣泛的推廣和應(yīng)用,初具規(guī)模[3]。液流電池作為一種化學(xué)儲(chǔ)能電池,在世界范圍內(nèi)得到了關(guān)注,目前還處于應(yīng)用前期[4]。

無(wú)論是鋰電池儲(chǔ)能系統(tǒng)還是液流電池儲(chǔ)能系統(tǒng),主要構(gòu)成基本相同,包括電池組、電池管理系統(tǒng)、能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)、電網(wǎng)、監(jiān)控系統(tǒng)、其它輔助設(shè)備等[5]。不同類型電池的化學(xué)儲(chǔ)能系統(tǒng),主要差異體現(xiàn)在電池管理系統(tǒng)上。

鋰電池儲(chǔ)能系統(tǒng)原理如圖1所示,液流電池儲(chǔ)能系統(tǒng)原理如圖2所示。

圖1 鋰電池儲(chǔ)能系統(tǒng)原理

鋰電池儲(chǔ)能系統(tǒng)在運(yùn)行過(guò)程中,不需要外部參與電池自身化學(xué)反應(yīng)過(guò)程的控制。液流電池儲(chǔ)能系統(tǒng)在運(yùn)行過(guò)程中,需要外部參與電池自身化學(xué)反應(yīng)過(guò)程的控制,由此液流電池儲(chǔ)能系統(tǒng)對(duì)電池管理系統(tǒng)提出了更高的要求。

液流電池管理系統(tǒng)與鋰電池管理系統(tǒng)有很大的不同。鋰電池管理系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)對(duì)鋰電池的監(jiān)測(cè)、均衡管理,以及荷電狀態(tài)與健康狀態(tài)等的估算,液流電池管理系統(tǒng)除了實(shí)現(xiàn)對(duì)電池的監(jiān)測(cè)、荷電狀態(tài)與健康狀態(tài)等的估算外,更側(cè)重于對(duì)電池電化學(xué)反應(yīng)過(guò)程的調(diào)節(jié)和控制,在保證液流電池正?；瘜W(xué)反應(yīng)的前提下,進(jìn)一步提升電池性能,延長(zhǎng)壽命。由此,液流電池管理系統(tǒng)更準(zhǔn)確地應(yīng)稱為液流電池控制系統(tǒng)。具體而言,液流電池管理系統(tǒng)需要對(duì)電解液管道、氣路閥、流量、壓力等進(jìn)行控制,對(duì)電池堆進(jìn)出口溫度進(jìn)行控制,實(shí)現(xiàn)電堆、管道、電解液罐等的報(bào)警和保護(hù)等[6]。

2 液流電池管理系統(tǒng)要求

由上述分析可知,適用于液流電池儲(chǔ)能系統(tǒng)的電池管理系統(tǒng)需要滿足以下要求:

(1) 具有模塊化結(jié)構(gòu),可以根據(jù)容量進(jìn)行靈活配置,滿足大規(guī)模儲(chǔ)能系統(tǒng)對(duì)電池管理系統(tǒng)的性能要求[7];

(2) 具有安全冗余功能[8];

(3) 軟件、硬件按照功能進(jìn)行劃分,具備獨(dú)立的功能模塊[9];

(4) 除具備常規(guī)的電池狀態(tài)監(jiān)控功能外,還需要參與電池化學(xué)反應(yīng)的控制,對(duì)電堆溫度、管道閥門、電解液流量和壓力等進(jìn)行控制。

3 系統(tǒng)總體方案

筆者以250 kW液流電池儲(chǔ)能系統(tǒng)為例,設(shè)計(jì)適用于兆瓦級(jí)以上液流電池儲(chǔ)能系統(tǒng)的電池管理系統(tǒng)。250 kW液流電池儲(chǔ)能系統(tǒng)有八個(gè)電堆,包括正負(fù)極電解液罐、管道、泵、閥門、傳感器等部件。

針對(duì)前述要求,液流電池管理系統(tǒng)硬件按功能進(jìn)行劃分,具體硬件構(gòu)架如圖3所示。電池管理系統(tǒng)硬件板卡安裝在金屬箱體內(nèi),方便維護(hù)、搬運(yùn),同時(shí)具有屏蔽電磁干擾的功能。

圖3 液流電池管理系統(tǒng)硬件架構(gòu)

正、負(fù)極控制卡用于采集正、負(fù)極電解液罐體狀態(tài)信息,以及正、負(fù)極管道閥門位置、壓力、流量等狀態(tài)信息,通過(guò)數(shù)據(jù)分析處理,控制閥門開(kāi)閉,下發(fā)正、負(fù)極管道泵的變頻控制信號(hào),同時(shí)具有報(bào)警保護(hù)功能。溫度采集卡用于采集電解液罐、管道、電堆等部件的實(shí)時(shí)溫度,通過(guò)數(shù)據(jù)計(jì)算,控制相應(yīng)閥門開(kāi)閉,以及冷卻系統(tǒng)輸出的冷卻液流量、溫度等,并且具有溫度監(jiān)測(cè)報(bào)警保護(hù)功能。電堆采集卡采集電堆電壓、電流等信息,并計(jì)算電池荷電狀態(tài)。通信卡通過(guò)內(nèi)部RS 485或串行外設(shè)接口總線方式,實(shí)現(xiàn)控制卡、采集卡之間的信息交互。外部通信采用控制器局域網(wǎng)或傳輸控制協(xié)議/網(wǎng)際協(xié)議,實(shí)現(xiàn)通信卡與終端監(jiān)控臺(tái)的數(shù)據(jù)交互。背卡為所有板卡提供直流24 V電源,同時(shí)實(shí)現(xiàn)電池管理系統(tǒng)不同板卡通信地址的硬件設(shè)置,并實(shí)現(xiàn)程序的統(tǒng)一。

上述硬件方案可以根據(jù)實(shí)際液流電池儲(chǔ)能系統(tǒng)的電池?cái)?shù)量進(jìn)行板卡的增減,并可以應(yīng)用于兆瓦級(jí)以上液流電池儲(chǔ)能系統(tǒng),能夠根據(jù)儲(chǔ)能系統(tǒng)容量對(duì)電池管理系統(tǒng)進(jìn)行靈活配置。

液流電池更適用于兆瓦級(jí)以上儲(chǔ)能系統(tǒng),充放電次數(shù)可達(dá)10 000次以上。通過(guò)更換正負(fù)極的電解液,可以實(shí)現(xiàn)瞬間再充電。液流電池支持過(guò)充過(guò)放而不損壞電池,壽命長(zhǎng)[10]。

兆瓦級(jí)以上液流電池儲(chǔ)能系統(tǒng)通常是由小儲(chǔ)能單元通過(guò)并聯(lián)方式組成的大容量?jī)?chǔ)能系統(tǒng),每個(gè)儲(chǔ)能單元是相對(duì)獨(dú)立的一個(gè)系統(tǒng)。兆瓦級(jí)以上液流電池管理系統(tǒng)解決方案如圖4所示。

圖4 兆瓦級(jí)以上液流電池管理系統(tǒng)解決方案

兆瓦級(jí)以上液流電池管理系統(tǒng)解決方案是電池管理系統(tǒng)在兆瓦級(jí)以上液流電池儲(chǔ)能系統(tǒng)中的具體應(yīng)用。由于電池管理系統(tǒng)采用了模塊化結(jié)構(gòu),可以根據(jù)儲(chǔ)能系統(tǒng)容量進(jìn)行靈活配置,因此降低了儲(chǔ)能系統(tǒng)中電池管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案的復(fù)雜性,減少了電池管理系統(tǒng)的成本。由于電池管理系統(tǒng)內(nèi)部已互相解耦,因此當(dāng)某一個(gè)電池管理系統(tǒng)單元出現(xiàn)故障時(shí),不會(huì)影響系統(tǒng)的整體運(yùn)行和穩(wěn)定性。從運(yùn)營(yíng)角度看,這一系統(tǒng)具備本地監(jiān)控和遠(yuǎn)程監(jiān)控能力,實(shí)現(xiàn)了本地?zé)o人值守和遠(yuǎn)程監(jiān)控。

4 實(shí)際驗(yàn)證

上海某機(jī)械加工企業(yè)產(chǎn)線擴(kuò)容,但變壓器容量未變,根據(jù)客戶實(shí)際運(yùn)行情況,配置了額定功率為250 kW、容量為1 MWh的液流電池儲(chǔ)能系統(tǒng)。該儲(chǔ)能系統(tǒng)主要由八個(gè)電堆串并聯(lián)組成,有一套電池管理系統(tǒng),一臺(tái)額定功率為250 kW的直流/直流變換器、一臺(tái)額定功率為250 kW的儲(chǔ)能變流器。

由于液流電池儲(chǔ)能系統(tǒng)容量相對(duì)較小,并且由八個(gè)電堆組成,因此采用筆者設(shè)計(jì)的液流電池管理系統(tǒng)解決方案。出于維護(hù)方便和冗余考慮,控制卡冗余兩塊。硬件板卡共15塊,其中控制卡五塊、通信卡一塊、采集卡八塊、背卡一塊。用戶現(xiàn)場(chǎng)的電池管理系統(tǒng)控制箱如圖5所示。

圖5 電池管理系統(tǒng)控制箱

這一儲(chǔ)能項(xiàng)目最終交付使用后,現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際運(yùn)行驗(yàn)證了電池管理系統(tǒng)的可行性和有效性,滿足液流電池儲(chǔ)能系統(tǒng)的需求。

5 結(jié)束語(yǔ)

筆者通過(guò)對(duì)鋰電池儲(chǔ)能系統(tǒng)和液流電池儲(chǔ)能系統(tǒng)進(jìn)行對(duì)比分析,設(shè)計(jì)了一種適用于不同容量液流電池儲(chǔ)能系統(tǒng)的電池管理系統(tǒng),并驗(yàn)證了電池管理系統(tǒng)的可行性和有效性。這一電池管理系統(tǒng)具有模塊化結(jié)構(gòu),可以根據(jù)液流電池儲(chǔ)能系統(tǒng)的容量進(jìn)行靈活配置,滿足不同容量液流電池儲(chǔ)能系統(tǒng)的應(yīng)用要求。