提升安全性能的儲(chǔ)能系統(tǒng)設(shè)計(jì)

秦曉維，杜海江，李明明，姜崇鵬，張朋輝

(1.中國農(nóng)業(yè)大學(xué)信息與電氣工程學(xué)院，北京100089；2.煙臺(tái)創(chuàng)為新能源科技股份有限公司，山東 煙臺(tái) 264000)

為響應(yīng)中國2030年碳達(dá)峰戰(zhàn)略，推進(jìn)節(jié)能減排，促進(jìn)大氣污染治理，有必要將充電站建設(shè)納入規(guī)劃之中[1]，同時(shí)在電力系統(tǒng)中還具有調(diào)峰、調(diào)頻、提高系統(tǒng)穩(wěn)定性和優(yōu)化電能質(zhì)量的作用[2]。

儲(chǔ)能系統(tǒng)廣泛應(yīng)用于大容量場合，對(duì)電力系統(tǒng)的調(diào)壓、調(diào)頻等具有重要作用，而儲(chǔ)能系統(tǒng)安全事故頻發(fā)，儲(chǔ)能安全成為重要課題。電化學(xué)儲(chǔ)能類型可分為鉛酸電池、鋰離子電池、鈉硫電池、釩液流電池等。鉛酸電池性能可靠、價(jià)格低，但能量密度和功率密度均較低；鈉硫電池具有原料成本低、充放電效率高、存儲(chǔ)壽命長等優(yōu)勢，但需要附加供熱和保溫裝置。釩液流電池壽命長、可深度放電、電解質(zhì)溶液可反復(fù)再生，卻存在體積大、比能量低、密封性不好等問題。鈉硫電池和釩液流電池只能放電，不能充電，嚴(yán)格說不是二次電池。鋰離子電池的壽命長、可靠性高、耐高溫、容量大，但導(dǎo)電性能差。近年來，國內(nèi)已運(yùn)行的儲(chǔ)能裝置中，鋰離子電池占比高達(dá)80%，并呈逐年遞增的態(tài)勢。

電化學(xué)儲(chǔ)能應(yīng)用場景可分為小型用電工具(能量在0.5 kWh以內(nèi)，筆記本、剃須刀、手機(jī)、電動(dòng)工具等)、中等容量靜止儲(chǔ)能(能量在10 kWh以內(nèi)，通信鐵塔、變電站直流系統(tǒng)等)、中等容量移動(dòng)儲(chǔ)能(能量在10 kWh以內(nèi)，電動(dòng)自行車、電動(dòng)三輪車、車啟動(dòng)電池)、大容量靜止儲(chǔ)能(10 kWh以上，光伏電站儲(chǔ)能、戶用光儲(chǔ)、風(fēng)電場儲(chǔ)能、商業(yè)儲(chǔ)能電站、電網(wǎng)儲(chǔ)能電站)、大容量移動(dòng)儲(chǔ)能(10 kWh以上，電動(dòng)汽車、電動(dòng)農(nóng)機(jī))等。

本文重點(diǎn)討論大容量靜止儲(chǔ)能系統(tǒng)的安全問題。據(jù)統(tǒng)計(jì)，近10年來，國內(nèi)外共發(fā)生了30多起大容量儲(chǔ)能電站起火爆炸事故，事故大多采用鋰離子電池，還有兩起事故采用了鉛酸電池和鈉硫電池。事故主要原因有：絕大多數(shù)事故發(fā)生在充電后休止?fàn)顟B(tài)，此時(shí)電池電壓較高，電池活性較大，易引發(fā)事故；并聯(lián)電池簇之間形成環(huán)流，導(dǎo)致電池電芯過充，電壓過高形成內(nèi)短路，造成火災(zāi)。新能源汽車的起火爆炸事故達(dá)到幾百余起，動(dòng)力電池基本采用的都是鋰離子電池，故障大多是由于熱失控引起的，其次是在充電過程中，對(duì)電動(dòng)車使用不當(dāng)引起的自燃，汽車碰撞引起電池起火也占了相當(dāng)大的比重。

在中等容量移動(dòng)儲(chǔ)能、大容量儲(chǔ)能飛速發(fā)展過程中，儲(chǔ)能容量變得越來越大，并且逐漸采用鋰離子電池來取代鉛酸電池。在這些場景應(yīng)用鋰電池之后，儲(chǔ)能的安全性能下降，隨之發(fā)生著火、爆炸事故，電池應(yīng)用安全性逐漸引起普遍重視。

提高儲(chǔ)能系統(tǒng)安全性，可以從兩個(gè)角度入手：一是從電池研究、生產(chǎn)制造角度，希望能生產(chǎn)更安全可靠的電池，即使遇到穿刺、短路等惡劣工況，也不會(huì)著火爆炸；二是從電池使用角度，盡可能使電池在充放電、靜置等狀態(tài)時(shí)，都維持在電池本身容許的安全范圍內(nèi)，不會(huì)進(jìn)入熱失控狀態(tài)。

儲(chǔ)能子系統(tǒng)或儲(chǔ)能設(shè)備，是以電池和儲(chǔ)能變流器(PCS)為核心構(gòu)成的一個(gè)相對(duì)獨(dú)立的結(jié)構(gòu)體，并在實(shí)際的應(yīng)用場景中以一個(gè)相對(duì)獨(dú)立的子系統(tǒng)或者設(shè)備存在，主要包括電芯、電池管理系統(tǒng)(BMS)及附屬傳感器、PCS這3個(gè)部件，另外大容量系統(tǒng)還會(huì)有消防等部件。儲(chǔ)能系統(tǒng)再根據(jù)應(yīng)用場景，與其他子系統(tǒng)構(gòu)成一個(gè)電力能源系統(tǒng)，并受一個(gè)統(tǒng)一的協(xié)調(diào)控制器調(diào)節(jié)，一般應(yīng)用架構(gòu)如圖1所示。

圖1 儲(chǔ)能子系統(tǒng)的一般應(yīng)用架構(gòu)圖

整個(gè)系統(tǒng)的總控制單元可稱為協(xié)調(diào)控制器(EMS)，儲(chǔ)能子系統(tǒng)通過本體的主控制單元與協(xié)調(diào)控制器進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，其他子系統(tǒng)也通過各自的主控制單元與EMS數(shù)據(jù)交換?？傊蒃MS獲取整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行數(shù)據(jù)，統(tǒng)籌計(jì)算后下發(fā)合適的調(diào)節(jié)指令，以實(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)的工作目標(biāo)。

儲(chǔ)能子系統(tǒng)中，各單元如何改進(jìn)設(shè)計(jì)、主控單元如何選擇、系統(tǒng)架構(gòu)如何設(shè)計(jì)，都會(huì)影響安全性能，并且還有很多改進(jìn)空間。因此，本文試圖總結(jié)相關(guān)的研究現(xiàn)狀，并給出改進(jìn)思路以供業(yè)內(nèi)參考。

1 研究現(xiàn)狀

目前，如要提高儲(chǔ)能系統(tǒng)的安全性，可從5方面入手：改善電芯的結(jié)構(gòu)及材料；改善PCS的結(jié)構(gòu)及控制策略；提高電池管理系統(tǒng)對(duì)電池管理的精確性；改變儲(chǔ)能子系統(tǒng)現(xiàn)有的控制架構(gòu)；改善電池Pack的結(jié)構(gòu)及材料。

1.1 電芯安全的研究現(xiàn)狀

電芯安全性涉及電芯符合標(biāo)準(zhǔn)與否、電芯標(biāo)準(zhǔn)是否有缺陷、電芯成組方式等方面。

文獻(xiàn)[3-4]給出了鋰離子電池在電化學(xué)儲(chǔ)能電站的國家標(biāo)準(zhǔn)和能源行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，而滿足要求的電芯才能在儲(chǔ)能電站中應(yīng)用。從相關(guān)資料上可以查出，2018年廣東質(zhì)監(jiān)局抽查其20家企業(yè)的20批次的鋰離子電池產(chǎn)品，其不合格率為15%；從相關(guān)數(shù)據(jù)可以看出，市場中有很多不合格的鋰離子電池涌入，如不嚴(yán)格監(jiān)管，可能會(huì)造成更多的儲(chǔ)能事故。文獻(xiàn)[5]指出了韓國儲(chǔ)能電站爆炸的原因可能是由于電芯內(nèi)部問題。對(duì)于電池是否符合標(biāo)準(zhǔn)是一方面，但即使符合標(biāo)準(zhǔn)的電池也不一定是安全的。文獻(xiàn)[6]研究了電芯串并聯(lián)對(duì)電芯參數(shù)的變化，電芯先并聯(lián)可以有效減小電芯參數(shù)的變化，但并沒有考慮到電芯在長期使用后，會(huì)導(dǎo)致各并聯(lián)電芯的內(nèi)阻不一致，其之間在充電結(jié)束后會(huì)形成環(huán)流，造成電芯的過充過放，引發(fā)熱失控。文獻(xiàn)[7]研究了串聯(lián)鋰離子電池成組的拓?fù)洌瑫r(shí)并聯(lián)電容進(jìn)行均衡管理，但各串聯(lián)電池的電池荷電狀態(tài)(SOC)值不一致時(shí)，當(dāng)某個(gè)電池達(dá)到SOC值下限，就會(huì)停止輸出，影響了儲(chǔ)能系統(tǒng)的輸出容量。

目前電芯成組都采用先并后串的工藝，沒有采用先串后并的成組方式，目的是為了提高儲(chǔ)能系統(tǒng)的能量密度，但這種方式并聯(lián)的幾個(gè)電芯如果性能不一致則會(huì)產(chǎn)生環(huán)流，并且該環(huán)流不可測也不可控，構(gòu)成安全隱患。

1.2 PCS安全的研究現(xiàn)狀

電池組通過PCS和應(yīng)用對(duì)象連接，實(shí)現(xiàn)可控的功率控制和能量交換。

文獻(xiàn)[8-10]研究了適用于大容量應(yīng)用場合的儲(chǔ)能變流器，其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)一般為單級(jí)式，與雙級(jí)式相比，可以有效地降低儲(chǔ)能的功率損耗，并連接相當(dāng)容量的電池組，以提高效率。文獻(xiàn)[11]指出在儲(chǔ)能系統(tǒng)中的電池出口處一般會(huì)配置直流機(jī)械開關(guān)做短路保護(hù)，問題是當(dāng)PCS的直流母線有短路，由于機(jī)械開關(guān)時(shí)延大(幾十毫秒)，在短路過程中，電池組承受很大的短路電流，造成不可逆的損傷。電池組由大量的單體電池構(gòu)成，具有不均衡的特性卻承受相同的出力，對(duì)電池組的損傷會(huì)持續(xù)加重。文獻(xiàn)[12]研究了兩個(gè)金氧半場效晶體管(MOSFET)串聯(lián)組成的雙向控制開關(guān)作為儲(chǔ)能系統(tǒng)的硬件保護(hù)，但是采用的MOSFET開關(guān)管會(huì)加大儲(chǔ)能系統(tǒng)的功率損耗，降低儲(chǔ)能系統(tǒng)功率輸出效率。

文獻(xiàn)[13]針對(duì)單元級(jí)聯(lián)式高壓變流器的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行研究，該變流器無需考慮直流側(cè)短路問題和電容均壓問題，并且3個(gè)模塊的結(jié)構(gòu)完全相同，便于控制，提高了工作的可靠性，但采用的可關(guān)斷器件較多，造成很高的開關(guān)損耗。

在大容量應(yīng)用場合，PCS一般采用單級(jí)式拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和單元級(jí)聯(lián)式拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，單級(jí)式拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)會(huì)因?yàn)橹绷鱾?cè)母線短路，使電池組承受很大的短路電流，對(duì)電池造成不可逆的損傷；單元級(jí)聯(lián)式拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)所需的可關(guān)斷器件較多，造成較大的開關(guān)損耗。

1.3 BMS安全的研究現(xiàn)狀

BMS的功能主要是根據(jù)采集電芯的電壓、電流、溫度及絕緣電阻的數(shù)據(jù)，利用相應(yīng)的算法實(shí)現(xiàn)SOC、電池健康度(SOH)的估算，實(shí)現(xiàn)對(duì)電芯的充電管理、放電管理、均衡管理、熱管理以及故障診斷和保護(hù)，同時(shí)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)和通信。通過對(duì)控制策略和通信方式的不斷優(yōu)化，使BMS可更加準(zhǔn)確地了解電芯的狀態(tài)，成為電芯的“大腦”，對(duì)電芯發(fā)出的數(shù)據(jù)做出合理反饋。

文獻(xiàn)[14]研究了雙控制器的3級(jí)架構(gòu)儲(chǔ)能電池管理系統(tǒng)，雖然極大豐富了BMS的對(duì)外接口，但由于各級(jí)架構(gòu)之間以及與控制器之間的接線繁多，并沒有考慮到線阻對(duì)于BMS的影響，一旦受到污染或沖擊導(dǎo)致接線之間短路，將會(huì)在電芯之間形成短路。文獻(xiàn)[15]描述與鋰電池管理系統(tǒng)相比，液流電池管理系統(tǒng)不僅要實(shí)現(xiàn)對(duì)電池的監(jiān)測、荷電狀態(tài)和健康狀態(tài)的估算外，還要測量管道的流量和壓力、控制氣路閥，因此設(shè)備之間的連接線束大大增加，增大了設(shè)備之間短路的概率，降低了安全性能。文獻(xiàn)[16]研究了Zig Bee無線通信方式的電池管理系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了采集單元到管理單元之間數(shù)據(jù)的無線傳輸，但還是會(huì)存在導(dǎo)線老化的現(xiàn)象，增加故障率。

BMS基本是采用電池管理單元(BMU)、電池充電單元(BCU)再到微機(jī)制動(dòng)控制單元(MBCU)的二級(jí)或三級(jí)的管理通信架構(gòu)。最低一級(jí)BMU匯集12節(jié)左右電芯的單體電壓數(shù)據(jù)及其他一些溫度數(shù)據(jù)，再逐級(jí)向上匯集。由此BMU測量單元與電芯間有大量電壓測量線，有的以電路板形式匯集，但都不能避免大量的電線或板線連接，一旦受到?jīng)_擊或污染，線間短路則引起電芯短路。

1.4 儲(chǔ)能系統(tǒng)框架的研究現(xiàn)狀

儲(chǔ)能系統(tǒng)的管理與控制框架是指如何對(duì)構(gòu)成儲(chǔ)能子系統(tǒng)的各個(gè)部件或設(shè)備進(jìn)行管理，如何分級(jí)、如何設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)的雙向傳遞和傳送路徑，是提高整個(gè)系統(tǒng)安全的重要方面。

文獻(xiàn)[17-20]的靜止儲(chǔ)能協(xié)調(diào)控制框架為：BMS和PCS將全部數(shù)據(jù)傳輸給協(xié)調(diào)控制器，PCS將部分關(guān)鍵數(shù)據(jù)傳送給BMS，協(xié)調(diào)控制器經(jīng)過處理后傳輸給上位機(jī)；當(dāng)上位機(jī)給協(xié)調(diào)控制器下發(fā)調(diào)度指令，協(xié)調(diào)控制器經(jīng)過處理后，直接給PCS下發(fā)協(xié)調(diào)指令，同時(shí)PCS在接收到BMS許可的情況下，才可以改變控制模式，如圖2(a)所示。文獻(xiàn)[21-25]的移動(dòng)儲(chǔ)能協(xié)調(diào)控制框架為：當(dāng)充電槍與車輛對(duì)接后，充電信號(hào)就會(huì)激活整車控制器(VCU)， VCU同時(shí)激活BMS和充電樁，BMS作為電池的直接管理者，BMS控制充電樁給動(dòng)力電池充電，如圖2(b)所示。

圖2 儲(chǔ)能子系統(tǒng)框架圖

目前儲(chǔ)能電站大多采用傳統(tǒng)儲(chǔ)能子系統(tǒng)控制框架，由上位機(jī)控制協(xié)調(diào)控制器，協(xié)調(diào)控制器根據(jù)PCS和BMS的數(shù)據(jù)進(jìn)行邏輯判斷，最終輸出控制指令給PCS，同時(shí)PCS也會(huì)根據(jù)部分BMS的關(guān)鍵數(shù)據(jù)，選擇執(zhí)行的模式。電動(dòng)汽車采用移動(dòng)儲(chǔ)能子系統(tǒng)控制框架，當(dāng)充電槍插入汽車，會(huì)激活VCU，VCU就會(huì)激活BMS和PCS，此時(shí)的PCS為充電樁，BMS根據(jù)檢測的電池?cái)?shù)據(jù)，控制PCS給電芯進(jìn)行充電。

BMS作為最了解電芯的設(shè)備，理應(yīng)由其控制PCS，但傳統(tǒng)儲(chǔ)能采用協(xié)調(diào)控制器控制PCS，往往會(huì)因?yàn)閿?shù)據(jù)時(shí)效性、完整性以及準(zhǔn)確性而導(dǎo)致電池過充或過放而引發(fā)熱失控，同時(shí)現(xiàn)有的控制策略沒有考慮到讓輸出功率隨著電芯SOC值的變化而變化，總以恒定功率輸出，加速了對(duì)電池的過度使用，因此這種協(xié)調(diào)控制框架不利于維護(hù)儲(chǔ)能系統(tǒng)的安全。

1.5 電池Pack及箱體安全的研究現(xiàn)狀

在電池發(fā)生熱失控之后，如何抑制電池的熱蔓延，電池Pack及箱體的安全在儲(chǔ)能系統(tǒng)中就顯得至關(guān)重要。而電池Pack的結(jié)構(gòu)和材料、電池Pack的充放電控制以及集裝箱內(nèi)設(shè)備的集成也成為儲(chǔ)能安全的重中之重。文獻(xiàn)[26]針對(duì)電池包箱體的結(jié)構(gòu)和材料進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，電池包內(nèi)僅有冷卻水管給電池進(jìn)行降溫，存在較大的安全隱患，并沒有其他消防安全設(shè)備和探測裝置對(duì)可能發(fā)生事故的電池包進(jìn)行有效的檢測與防護(hù)。文獻(xiàn)[27]提出了集裝箱式儲(chǔ)能電池成組技術(shù)，分析了電池模組的3種成組方式以及將BMS和磷酸鐵鋰電池進(jìn)行集成，電池采用先串聯(lián)后并聯(lián)模式能夠監(jiān)測到每一塊電池，但會(huì)增大電池管理的成本，由于單體電池SOC的限制，導(dǎo)致儲(chǔ)能系統(tǒng)輸出容量減小。同時(shí)設(shè)備集成考慮的并不全面，仍需要完成與PCS以及協(xié)調(diào)控制器的接線問題，使通信電纜的長度增加，影響到通信的及時(shí)性，而電纜暴露在空氣中，也會(huì)加劇老化程度。文獻(xiàn)[28-29]分別研究采用蜂窩式單獨(dú)腔體結(jié)構(gòu)、放熔斷器的鎳帶設(shè)計(jì)等方式和在每個(gè)電池包上對(duì)應(yīng)設(shè)置一個(gè)滅火冷卻機(jī)構(gòu)的方式來防止電池?zé)崾Э芈?。這些文獻(xiàn)分別只從物理和化學(xué)方面單獨(dú)來防止熱失控蔓延，措施比較單一，儲(chǔ)能安全存在較大的風(fēng)險(xiǎn)。

從儲(chǔ)能安全方面來看，電池Pack的設(shè)計(jì)過于簡單，未能在電池Pack中加入消防設(shè)備抑制內(nèi)部電池的熱蔓延，其內(nèi)部電池采用先串聯(lián)后并聯(lián)成組方式的儲(chǔ)能系統(tǒng)會(huì)受到個(gè)別單體電池SOC的影響，導(dǎo)致儲(chǔ)能系統(tǒng)的輸出容量變小。而儲(chǔ)能系統(tǒng)框架大多采用分布式結(jié)構(gòu)，只將電池和BMS集成在集裝箱內(nèi)，儲(chǔ)能子系統(tǒng)對(duì)外仍需要連接PCS，線阻會(huì)隨接線長度的增加而增加，而線阻會(huì)影響到BMS與PCS、協(xié)調(diào)控制器之間的通信，同時(shí)目前的集裝箱內(nèi)有化學(xué)隔離和物理隔離措施來阻止電池?zé)崧印?/p>

2 提高安全性能的儲(chǔ)能子系統(tǒng)設(shè)計(jì)建議及思路

從用戶角度提高安全和可靠性能，主要思路：一是通過有效的監(jiān)測和評(píng)估手段，掌握電池目前的性能狀態(tài)，以及在當(dāng)前環(huán)境下電池可容許的運(yùn)行性能要求，或者希望改善運(yùn)行環(huán)境的程度，即盡可能全面獲取電池的狀態(tài)和可允許的運(yùn)行指標(biāo)要求，即監(jiān)測信息方面；二是通過有效控制使電池運(yùn)行在較好的性能狀態(tài)，不超出允許的運(yùn)行指標(biāo)限值，即控制協(xié)調(diào)方面。一個(gè)高效和安全的系統(tǒng)設(shè)計(jì)更接近這樣的目標(biāo)。

為此，儲(chǔ)能子系統(tǒng)的主控制單元盡應(yīng)可能掌握該系統(tǒng)的全面數(shù)據(jù)，能評(píng)估或計(jì)算更深一步的信息，并且對(duì)系統(tǒng)有全面的控制能力，不能有另外不受控制的控制指令產(chǎn)生。

儲(chǔ)能子系統(tǒng)在中大容量靜止儲(chǔ)能應(yīng)用場景，會(huì)以一個(gè)機(jī)柜、一個(gè)或多個(gè)集裝箱形式存在。由多個(gè)電芯構(gòu)成電池組，再由多個(gè)電池組構(gòu)成集裝箱，再由多個(gè)集裝箱構(gòu)成儲(chǔ)能子系統(tǒng)。

2.1 單體無線式BMS與電芯集成

目前的BMS為多級(jí)管理架構(gòu)，各級(jí)管理架構(gòu)之間采用大量線纜連接，經(jīng)過各種不確定因素的長期影響，易導(dǎo)致線纜發(fā)生老化、接觸不良以及短路等故障，給儲(chǔ)能系統(tǒng)帶來較大的安全隱患。

電芯需要測量的一次參數(shù)有電壓、電流、溫度，其他SOC和SOH等參數(shù)為二次參數(shù)，依據(jù)一次參數(shù)計(jì)算得出，可稱為電芯BMS。這些參數(shù)測量后可通過無線方式傳送并匯集到Pack電池監(jiān)控單元。再由Pack電池監(jiān)控單元與集裝箱電池監(jiān)控單元通過無線的方式進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，進(jìn)而匯集到儲(chǔ)能系統(tǒng)監(jiān)控單元。后面通信級(jí)可采用無線或有線方式，一般采用有線方式，因和一次功率回路物理上分離，不會(huì)引起安全性問題。

電芯BMS可在電芯生產(chǎn)時(shí)集成裝配，電芯BMS完全掌握電芯的相關(guān)參數(shù)，使電芯BMS和電芯達(dá)到完美的契合，在電芯串并聯(lián)成組時(shí)，單體電芯BMS與Pack電池監(jiān)控單元實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)配組。

2.2 電池Pack及箱體設(shè)計(jì)

Pack內(nèi)的電芯按串聯(lián)設(shè)計(jì)，再與其他Pack按工程需要串聯(lián)到合適的電壓等級(jí)，并在每串安裝電流傳感器。每串Pack配置一套DC/DC變流器，多個(gè)Pack先串聯(lián)再并聯(lián)構(gòu)成集裝箱，達(dá)到合適的容量要求，如圖3所示。

圖3 箱體及電池Pack內(nèi)部圖

每個(gè)Pack內(nèi)配置壓力傳感器、煙氣傳感器、消防裝置。當(dāng)有部分電芯發(fā)生形變而引起Pack內(nèi)壓力變化，可由壓力傳感器測得；當(dāng)有部分電芯產(chǎn)生氣體或煙霧時(shí)，由煙氣傳感器測得；當(dāng)Pack電池監(jiān)控單元綜合各種傳感數(shù)據(jù)，判斷處于緊急狀況時(shí)，可自行啟動(dòng)內(nèi)部的消防裝置。

Pack串配置獨(dú)立的DC/DC變流器：一是保護(hù)作用，當(dāng)串內(nèi)發(fā)生短路或過流時(shí)，可實(shí)施微秒級(jí)短路保護(hù)；二是該變流器接受集裝箱電池監(jiān)控單元控制，使本串電池按最佳狀態(tài)運(yùn)行，并有效抑制串間環(huán)流。

在電池管理系統(tǒng)中，最低一級(jí)為電芯BMS，再到Pack電池監(jiān)控單元、Pack串級(jí)、集裝箱級(jí)、系統(tǒng)級(jí)監(jiān)控單元。每一級(jí)都有各自的功能，并通過數(shù)據(jù)交換進(jìn)行功能協(xié)同。

每個(gè)Pack的殼體可采用防爆阻燃?xì)んw，即當(dāng)某一Pack異常時(shí)，不至于波及臨近的Pack。集裝箱一級(jí)設(shè)計(jì)有效的熱交換通道，將每個(gè)Pack產(chǎn)生的熱量及時(shí)交換出去。消防主要由Pack內(nèi)部的消防設(shè)施起作用，集裝箱一級(jí)主要是散熱通道不暢而引起溫度上升，甚至失控，也需配置消防設(shè)備。

2.3 應(yīng)急快速響應(yīng)和快速告警

儲(chǔ)能電站中安裝大量的傳感器，傳感器應(yīng)包含檢測溫度、壓力、CO、H2、煙霧的功能，利用應(yīng)急快速響應(yīng)系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳遞，傳感器通過檢測電池的溫度是否過高、電池箱內(nèi)壓力是否過大以及CO、H2、煙霧的濃度是否過高，來判斷電池是否發(fā)生熱失控。如果發(fā)生，則將上傳至儲(chǔ)能子系統(tǒng)主控單元，儲(chǔ)能子系統(tǒng)主控單元判斷故障等級(jí)，決定是否直接啟動(dòng)消防設(shè)備以及選擇PCS為停機(jī)還是待機(jī)狀態(tài)。

當(dāng)故障發(fā)生后，就會(huì)上傳至儲(chǔ)能子系統(tǒng)主控單元，儲(chǔ)能子系統(tǒng)主控單元經(jīng)過協(xié)調(diào)處理，在判斷故障等級(jí)的同時(shí)迅速啟動(dòng)快速告警。將故障信息推送至協(xié)調(diào)控制器和主站，并在本地顯示，提醒工作人員。如果是電池發(fā)生故障，儲(chǔ)能子系統(tǒng)主控單元能智能地找到該故障電池的位置，并啟動(dòng)物理隔離裝置和化學(xué)隔離設(shè)備，將該故障電池進(jìn)行隔離，防止故障電池的熱蔓延，如果不是電池方面的故障，系統(tǒng)將智能判斷是否啟動(dòng)消防設(shè)備及隔離設(shè)備。

2.4 基于BMS主控的控制系統(tǒng)

與傳統(tǒng)的儲(chǔ)能系統(tǒng)控制架構(gòu)相比，新型儲(chǔ)能子系統(tǒng)對(duì)外只與協(xié)調(diào)控制器進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，內(nèi)部則由電池芯、BMS、各類傳感器、PCS和消防系統(tǒng)組成，其中由BMS的第三級(jí)架構(gòu)作為儲(chǔ)能子系統(tǒng)的主控單元，設(shè)計(jì)的新型架構(gòu)如圖4所示。

圖4 新型儲(chǔ)能控制框架圖

BMS、PCS、應(yīng)急預(yù)警系統(tǒng)以及電池Pack全部存放于儲(chǔ)能集裝箱中，消防設(shè)備存放在電池Pack中，防止電池火災(zāi)的蔓延，儲(chǔ)能子系統(tǒng)主控單元負(fù)責(zé)收集所有數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，同時(shí)控制PCS和應(yīng)急快速響應(yīng)系統(tǒng)；PCS負(fù)責(zé)控制電池的充放電；應(yīng)急快速響應(yīng)系統(tǒng)負(fù)責(zé)檢測溫度、壓力以及煙霧濃度等，同時(shí)接受儲(chǔ)能子系統(tǒng)主控單元指令啟動(dòng)消防設(shè)備。BMU將采集的單體電池?cái)?shù)據(jù)上傳至BCU，BCU將采集的電池模組數(shù)據(jù)以及單體數(shù)據(jù)上傳至儲(chǔ)能子系統(tǒng)主控單元。

儲(chǔ)能子系統(tǒng)主控單元負(fù)責(zé)與EMS通信，EMS將數(shù)據(jù)上傳至主站，并在本地的監(jiān)控端顯示。EMS接受主站下發(fā)的指令后，經(jīng)過處理直接給儲(chǔ)能子系統(tǒng)主控單元下發(fā)協(xié)調(diào)控制指令，儲(chǔ)能子系統(tǒng)主控單元負(fù)責(zé)與PCS進(jìn)行通信，控制電池進(jìn)行充放電，同時(shí)PCS不再提供對(duì)EMS的數(shù)據(jù)接口，減少了新型儲(chǔ)能子系統(tǒng)對(duì)外通信線束，儲(chǔ)能子系統(tǒng)主控單元與應(yīng)急快速響應(yīng)系統(tǒng)通信，實(shí)時(shí)地將儲(chǔ)能電站的安全信息上傳至儲(chǔ)能子系統(tǒng)主控單元。

同時(shí)可以根據(jù)串并聯(lián)的電池?cái)?shù)量預(yù)估電池的最大電流和電壓值，同時(shí)留有一定的裕度，在BMS中設(shè)定電流、電壓以及溫度的限值。在電芯充電過程中，BMS前期控制PCS以恒流模式給電芯充電，當(dāng)達(dá)到BMS設(shè)定的SOC值時(shí)，控制PCS以恒壓模式給電芯充電；在電芯放電過程中，由于電芯的SOC值在不斷減小，不能要求電芯以恒功率進(jìn)行放電，因此放電功率會(huì)隨SOC值的減小而減小，儲(chǔ)能子系統(tǒng)主控單元可以根據(jù)BCU上傳SOC值。根據(jù)特定的算法一直減小輸出功率，然后下發(fā)給PCS輸出功率指令，電池將以計(jì)算的輸出功率進(jìn)行放電。當(dāng)上位機(jī)要求輸出的功率和SOC值嚴(yán)重不匹配時(shí)，就會(huì)發(fā)出告警信號(hào)，經(jīng)過短暫延時(shí)之后，由儲(chǔ)能子系統(tǒng)主控單元自動(dòng)調(diào)整輸出功率。

3 結(jié)語

(1)針對(duì)現(xiàn)有儲(chǔ)能系統(tǒng)框架的多樣性，為了使儲(chǔ)能系統(tǒng)的框架更加合理和統(tǒng)一，界定了儲(chǔ)能子系統(tǒng)的概念，并給出研究邊界，針對(duì)儲(chǔ)能子系統(tǒng)的框架進(jìn)行了論述。

(2)對(duì)有關(guān)生產(chǎn)的電芯是否符合標(biāo)準(zhǔn)、電芯標(biāo)準(zhǔn)是否有缺陷、電芯的組成、PCS的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、PCS直流側(cè)短路的應(yīng)對(duì)措施、BMS的架構(gòu)和通信方式、電池Pack內(nèi)的消防設(shè)施和箱體結(jié)構(gòu)安全和儲(chǔ)能子系統(tǒng)協(xié)調(diào)控制框架的研究文獻(xiàn)進(jìn)行評(píng)述，并針對(duì)性地指出存在的問題。

(3)對(duì)BMS各架構(gòu)之間的通信方式、BMS與電芯的集成、電池Pack的內(nèi)部消防設(shè)計(jì)、電池Pack串的可控設(shè)計(jì)、集裝箱體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、基于BMS為主控的控制系統(tǒng)和應(yīng)急快速響應(yīng)以及快速告警給出了改進(jìn)的思路和建議。