一種液冷一體儲能電池管理系統(tǒng)的設(shè)計

潘明俊，魏陽超，王峰，魏陽，李響

（南京南瑞繼保電氣有限公司，南京 211102）

0 引言

目前主流電池儲能系統(tǒng)有風冷和液冷兩種。常規(guī)風冷儲能系統(tǒng)需要布置大量的風扇進行散熱，并需要布置大面積的散熱通道，電池模組需要配置較多的電池機架［1］。液冷式儲能可以將原來的小容量模組改成大容量［2］的電池模組，減少占地面積，從而減少了儲能艙占用的空間。在大力發(fā)展儲能市場背景下，儲能電站容量持續(xù)增加，液冷方案憑借制冷效率高、能耗低、容量大等優(yōu)勢，占比快速提升，成為行業(yè)發(fā)展趨勢。

電池管理系統(tǒng)是儲能系統(tǒng)中很重要的環(huán)節(jié)，過充、過放、溫度異常等都可能影響電池壽命，增加儲能系統(tǒng)的維護成本［3］。液冷式電池模組容量大、電芯數(shù)量多、系統(tǒng)電壓高，對電池管理系統(tǒng)實現(xiàn)實時電池數(shù)據(jù)采集、各子系統(tǒng)協(xié)調(diào)管控與系統(tǒng)便捷運維功能提出很高的要求。液冷PACK（電池包）內(nèi)的電芯數(shù)量大，電芯電量異常會帶來較大的補電維護工作量。目前市場上大多的儲能電池管理系統(tǒng)仍是針對風冷儲能系統(tǒng)，針對液冷式儲能系統(tǒng)的電池管理系統(tǒng)較少，現(xiàn)有的液冷一體儲能系統(tǒng)現(xiàn)場運維不便，系統(tǒng)內(nèi)PACK 管理單元需單獨下載程序、設(shè)置地址，將投入更多運維資源。

本文針對液冷式儲能系統(tǒng)應(yīng)用需求，設(shè)計了一種基于液冷一體儲能系統(tǒng)的電池管理系統(tǒng)。通過控制單元協(xié)調(diào)控制各子系統(tǒng)，減少了PACK 管理單元程序下載、地址設(shè)置等維護工作，并在系統(tǒng)內(nèi)設(shè)計藍牙通信運維，為運維人員提供便捷運維接口。系統(tǒng)內(nèi)設(shè)計均衡電路減少電池補電工作，解決液冷儲能系統(tǒng)關(guān)鍵問題。

1 液冷一體儲能電池管理系統(tǒng)方案設(shè)計

1.1 系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計

本文設(shè)計了一款液冷一體儲能系統(tǒng)，系統(tǒng)框圖如圖1所示。整個系統(tǒng)將儲能變流器、高壓控制箱、水冷系統(tǒng)、消防系統(tǒng)與8 套液冷PACK 集成于一體。每個液冷PACK 上安裝一套PACK 管理單元，系統(tǒng)高壓箱控制箱里配置一套控制單元?？刂茊卧獮橄到y(tǒng)的控制中樞，負責協(xié)調(diào)儲能變流器、水冷系統(tǒng)和消防系統(tǒng)，匯總各液冷PACK 的數(shù)據(jù)并提供人機交互接口。

圖1 液冷一體儲能系統(tǒng)框圖Fig.1 Block diagram of liquid-cooling integrated energy storage system

1.2 管理系統(tǒng)通信組網(wǎng)

基于系統(tǒng)設(shè)計了液冷電池管理系統(tǒng)的通信組網(wǎng)，如圖2所示。整個電池管理系統(tǒng)主要是兩級通信。PACK 管理單元間通過以太網(wǎng)線作為媒介形成菊花鏈雙環(huán)網(wǎng)通信，PACK 管理單元首尾的通信節(jié)點連接到控制單元形成第一層通信組網(wǎng)。第二層為控制單元與各外設(shè)之間的通信組網(wǎng)?？刂茊卧c儲能變流器之間通過GOOSE（面向通用對象的變電站事件）直通進行組網(wǎng)，控制單元與消防系統(tǒng)間通過CAN 接口進行通信，水冷系統(tǒng)通過RS485 接口與控制單元進行通信。另外預(yù)留了以太網(wǎng)接口可以連通客戶端顯示控制單元采集的數(shù)據(jù)，或者通過手機藍牙來連通控制單元。

圖2 管理系統(tǒng)通信組網(wǎng)Fig.2 Communication network for management system

2 液冷一體儲能電池管理系統(tǒng)硬件設(shè)計

根據(jù)總體系統(tǒng)設(shè)計架構(gòu)，整個液冷一體儲能電池管理系統(tǒng)設(shè)計了兩層裝置，第一層為液冷PACK 管理單元，第二層為控制單元。控制單元安裝于高壓控制箱內(nèi)部，并設(shè)計有基于手機APP（應(yīng)用程序）藍牙通信或者PC端以太網(wǎng)通信的人機交互單元。

2.1 液冷PACK管理單元

液冷PACK 與常規(guī)風冷PACK 相比，PACK內(nèi)部電芯的數(shù)量是風冷PACK 的3～4 倍，每個PACK 管理單元需要實時監(jiān)測52 個電芯的單體電壓、單體溫度并根據(jù)運行狀態(tài)實時進行均衡管理與熱管理。每個PACK為系統(tǒng)內(nèi)獨立的最小單元。

每個液冷電池PACK 都相應(yīng)地配置一套PACK 管理單元。設(shè)計框圖如圖3 所示。每個PACK 管理單元支持52 節(jié)電芯單體電壓的采集功能以及各通道的被動均衡功能，同時支持52 路全溫度采集功能，可以根據(jù)工程配置需求設(shè)置溫度采集通道數(shù)。實時采集每個電芯的單體電壓信息，實時獲取電芯一致性，通過邏輯控制實時開啟被動均衡，調(diào)整整個電池PACK 內(nèi)電芯的一致性。當實時采集到的溫度超出電芯最適宜的工作溫度范圍時，通過控制單元向水冷機輸出指令調(diào)節(jié)電池PACK 溫度。液冷PACK 管理單元內(nèi)部無邏輯芯片，各個液冷PACK 管理單元全由控制單元來整體控制，無需設(shè)置獨立地址與程序下載。

圖3 液冷PACK管理單元設(shè)計框圖Fig.3 Block diagram of liquid-cooling PACK management unit design

2.2 控制單元

控制單元是整個液冷一體儲能電池管理系統(tǒng)的核心，如圖4所示，控制單元匯總整個液冷儲能系統(tǒng)所有PACK 管理單元內(nèi)各單體電壓、溫度信息?？刂茊卧杉到y(tǒng)的系統(tǒng)電壓、簇電壓以及簇電流?？刂茊卧Y(jié)合單體電芯信息與簇級信息，估算出整個液冷PACK 的荷電狀態(tài)與電池的健康狀態(tài)?？刂茊卧ㄟ^CAN通信的方式與消防系統(tǒng)實現(xiàn)通信聯(lián)動?？刂茊卧ㄟ^RS485 通信的方式與水冷系統(tǒng)實現(xiàn)互通，能收到報警信號并發(fā)出控制信號。儲能變流器與控制單元之間通過GOOSE直聯(lián)，實現(xiàn)儲能變流器與控制單元聯(lián)動控制。控制單元對外可提供藍牙通信接口。

圖4 控制單元設(shè)計框圖Fig.4 Block diagram of control unit design

2.3 高壓控制箱設(shè)計

每個液冷一體儲能系統(tǒng)會配置一套高壓控制箱，高壓控制箱動力回路原理如圖5所示。高壓控制箱實現(xiàn)儲能變流器與液冷電池PACK 之間的動力回路連接。系統(tǒng)設(shè)計中維護開關(guān)設(shè)置于儲能變流器內(nèi)部，高壓控制箱內(nèi)部在電池正母線與負母線分別設(shè)計有熔斷器。系統(tǒng)的回路電流通過分流器系統(tǒng)進行采集。

圖5 高壓控制箱動力回路原理Fig.5 Schematic of power circuit of high voltage control box

每套高壓控制箱內(nèi)部都集成了一套控制單元。高壓控制箱連接儲能變流器與電池PACK 組。通過正、負電池母線上的熔斷器來實現(xiàn)過流保護?？刂茊卧ㄟ^分流器采集回路內(nèi)的系統(tǒng)電流。高壓控制箱內(nèi)設(shè)計有散熱風扇用于加速高壓控制箱內(nèi)部發(fā)熱體散熱。開關(guān)電源用于給交換機與控制單元提供電源，交換機實現(xiàn)控制單元與儲能變流器人機交互單元等通過以太網(wǎng)進行通信。整個高壓控制箱的布置如圖6所示。

圖6 高壓控制箱布置Fig.6 Layout diagram of high voltage control box

2.4 人機交互設(shè)計

為了方便運維，本文所提出的液冷式儲能電池管理系統(tǒng)設(shè)計了人機交互接口。

控制單元設(shè)計了以太網(wǎng)通信接口，可通過電腦客戶端上的調(diào)試軟件連接控制單元，實時讀取控制單元所匯總的數(shù)據(jù)信息。

針對不方便通過電腦連接的情況下，本系統(tǒng)設(shè)計了藍牙通信接口，本系統(tǒng)設(shè)計有手機端APP軟件，手機通過APP 可以直接連接控制單元，運維人員通過手機APP直接讀取儲能系統(tǒng)實時數(shù)據(jù)。藍牙通信連接主界面以及連接后主要信息如圖7所示。

圖7 手機客戶端交互頁面Fig.7 Interaction interface on mobile client

3 關(guān)鍵功能實現(xiàn)與系統(tǒng)應(yīng)用

按照本文所設(shè)計的液冷一體儲能系統(tǒng)，PACK 管理單元實現(xiàn)PACK 內(nèi)每個單體電芯電壓采集、單體溫度采集以及模組電壓均衡。電池PACK 內(nèi)的單體電芯間存在一致性問題，電池PACK 的續(xù)航能力是由整個PACK 里最差一節(jié)電芯決定的［4］。液冷PACK 內(nèi)存在52 個單體電芯，當出現(xiàn)單體電芯容量異常時，需要通過繁復(fù)的步驟對電芯進行補電操作。設(shè)計均衡系統(tǒng)可減少人為補電等干預(yù)操作，并延遲電池PACK 的工作時長。

3.1 電池均衡管理

目前主流均衡拓撲按照能量傳遞方式分為能量耗散型均衡和能量非耗散型均衡，也被稱為被動均衡與主動均衡［5-6］。被動均衡是把電池PACK內(nèi)電量較高電芯的能量通過發(fā)熱的形式消耗掉，以達到電池PACK 內(nèi)電芯電量的一致性。主動均衡的目標是將電量較高的電芯轉(zhuǎn)移到電量較低的電芯，并將電量較高的電池PACK 的能量轉(zhuǎn)移到電量較低的電池PACK。

目前被動均衡的方案已經(jīng)比較成熟，電路結(jié)構(gòu)簡單，實現(xiàn)元器件少，可靠性高，并且成本相對較低。目前主動均衡有電容型均衡拓撲、電感型均衡拓撲、變壓器型均衡拓撲、變換器型均衡拓撲［7-11］。儲能電池管理系統(tǒng)目前并沒有一種十分成熟可靠的主動均衡方案，目前的主動均衡方案分立器件多，成本高。主動均衡方案中均衡通道分立器件遠多于被動均衡，系統(tǒng)可靠性風險遠高于被動均衡。

綜合成本與均衡回路可靠性，本文所設(shè)計的液冷一體儲能系統(tǒng)按照被動均衡的方案設(shè)計了均衡控制電路。目前被動均衡設(shè)計方案主要有兩種，一種是均衡電路使用AFE（模擬前端）芯片內(nèi)部的MOS（半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管）。第二種是均衡電路使用AFE芯片外置MOS。

3.1.1 內(nèi)置MOS被動均衡

目前芯片內(nèi)置MOS 被動均衡方案主要有3種，方案原理框圖如圖8—10 所示。其中Rci為內(nèi)置MOS 方案采樣回路濾波電阻，Rsi為內(nèi)置MOS方案均衡回路的均衡電阻，Ci為內(nèi)置MOS方案差分采樣回路濾波電容，NMOS（N溝道型場效應(yīng)晶體管）與PMOS（P溝道型場效應(yīng)晶體管）為AFE芯片內(nèi)部的MOS。

1）內(nèi)置MOS 被動均衡方案一如圖8 所示，電芯、均衡電阻Rsi、內(nèi)置MOS 與濾波電阻Rci之間形成均衡回路。均衡電流Ib與電芯電壓Vc之間的關(guān)系如式（1）所示：

圖8 芯片內(nèi)置MOS被動均衡方案一Fig.8 Passive equalization scheme 1 of chip built-in MOS

適用于方案一的典型芯片有ADI的LTC681X等。該方案均衡電流會流過采樣回路的濾波電阻Rci與均衡電阻Rsi。因此采樣回路濾波電阻Rci不能太大，否則均衡電流會很小，均衡效率很低。

2）內(nèi)置MOS 被動均衡方案二如圖9 所示，電芯、均衡電阻Rsi、內(nèi)置MOS 之間形成均衡回路。均衡電流Ib與電芯電壓Vc之間的關(guān)系見式（2）：

圖9 芯片內(nèi)置MOS被動均衡方案二Fig.8 Passive equalization scheme 2 of chip built-in MOS

適用于方案二的典型芯片有NXP的MC33771X等。該方案問題點在于芯片引腳增多，封裝增大，同時均衡電流會流過芯片內(nèi)部，芯片內(nèi)部熱量比較難散掉。

3）內(nèi)置MOS 被動均衡方案三如圖10 所示，電芯、均衡電阻Rsi、內(nèi)置MOS、相鄰?fù)ǖ谰怆娮鑂si之間形成均衡回路。均衡電流Ib與電芯電壓Vc之間的關(guān)系如式（3）所示：

圖10 芯片內(nèi)置MOS被動均衡方案三Fig.10 Passive equalization scheme3 of chip built-in MOS

適用于方案三的典型芯片有TI 的BQ7961X等。該方案問題點在于均衡通道需要奇數(shù)與偶數(shù)分別打開。若相鄰?fù)ǖ谰釳OS打開，通過內(nèi)部MOS 的電流會過大，容易導(dǎo)致芯片內(nèi)部發(fā)熱嚴重。

上述3種被動均衡方案，均衡電流上限受限于AFE芯片內(nèi)部的MOS，并且各有相應(yīng)的局限點。

3.1.2 外置MOS被動均衡

針對內(nèi)置被動均衡所存在的局限點，AFE 芯片也能支持外擴外部MOS來實現(xiàn)被動均衡。

本文PACK 管理單元被動均衡方案原理按照圖11 設(shè)計。其中，Rce為外置MOS 方案采樣回路濾波電阻，Rse為外置MOS方案均衡回路的均衡電阻，Ce為外置MOS 方案差分采樣回路濾波電容，Re為均衡控制腳限流電阻。MOS為外置均衡回路MOS。

如圖11 所示的外部被動均衡方案，電芯、外置MOS 與均衡電阻Rse之間形成均衡回路。均衡電流Ib與電芯電壓Vc之間的關(guān)系如式（4）所示：

圖11 外置MOS被動均衡原理框圖Fig.11 Block diagram of passive equalization principle of external MOS

該方案中將被動均衡開關(guān)MOS 轉(zhuǎn)移到AFE芯片外部，均衡電流引起的發(fā)熱從芯片轉(zhuǎn)移到外部，同時可以根據(jù)均衡電流的需求來調(diào)整MOS參數(shù)以及均衡電阻Rse大小。同時采樣回路濾波電阻Rce可以適當增大阻值，增加系統(tǒng)的抗擾性。

對比4 種被動均衡方案，本文選擇外置MOS被動均衡方案設(shè)計了均衡電路，根據(jù)實時電芯數(shù)據(jù)采集，軟件邏輯控制開啟高電壓通道均衡功能，將模組內(nèi)電芯電壓設(shè)為一致。

3.2 系統(tǒng)運行應(yīng)用

本文所設(shè)計的液冷一體儲能系統(tǒng)工程化應(yīng)用于某工廠削峰填谷場景［12-15］。用戶在用電低谷時間段對儲能系統(tǒng)進行充電，將電能存儲進電池系統(tǒng)。用電高峰時間段，對電池系統(tǒng)進行放電，運用儲能系統(tǒng)內(nèi)存儲的能量。該系統(tǒng)目前現(xiàn)場可靠運行，將用電高峰電價轉(zhuǎn)為低谷電價，為用戶節(jié)省用電費用?，F(xiàn)場運行的照片如圖12所示。

圖12 液冷一體儲能系統(tǒng)現(xiàn)場運行Fig.12 Field operation of liquid-cooling integrated energy storage system

本文所設(shè)計的液冷一體儲能系統(tǒng)在現(xiàn)場可靠地實現(xiàn)能量存儲與能量釋放的循環(huán)?？刂茊卧獌?nèi)存儲單元記錄了現(xiàn)場充、放電過程中的電芯電壓數(shù)據(jù)。循環(huán)過程中，充電設(shè)置單體電壓上限值為3.65 V，放電設(shè)置單體電壓下限值為2.9 V。數(shù)據(jù)記錄了系統(tǒng)完整的滿充、靜置、滿放、靜置過程的電芯電壓數(shù)據(jù)。

整個系統(tǒng)電池簇包括8個PACK，每個PACK內(nèi)有52 節(jié)電芯，每個PACK 為一個獨立最小單元，隨機選取一個電池PACK 作為監(jiān)視對象，以運行時間點作為橫坐標，電芯電壓作為縱坐標，繪制數(shù)據(jù)曲線如圖13所示。圖13繪制了一個液冷PACK 管理單元所采集的一個液冷PACK 內(nèi)52 個電芯數(shù)據(jù)曲線。由圖13可知，52路電芯曲線趨勢一致性良好，系統(tǒng)可靠地完成能量存儲與釋放的循環(huán)過程。

圖13 實際充放電運行電芯數(shù)據(jù)曲線Fig.13 Cell data curves of actual charge/discharge operation

4 結(jié)語

本文提出了一種基于液冷一體儲能系統(tǒng)的電池管理系統(tǒng)，該系統(tǒng)設(shè)計了兩級通信兩層裝置。介紹了整個系統(tǒng)通信架構(gòu)以及各級管理單元的設(shè)計，并闡述了各單元的功能配置。對比目前市場常見的4 種被動均衡方案，介紹了3 種內(nèi)置MOS被動均衡方案，指出了3 種方案所存在的局限點。針對內(nèi)置被動均衡所存在的局限點，本文采用外置MOS的方案設(shè)計了被動均衡電路，實現(xiàn)均衡控制減少人為補電操作。

本文提出的液冷一體儲能電池管理系統(tǒng)已在實際工程中運行應(yīng)用，并獲得了系統(tǒng)完整充放電循環(huán)的數(shù)據(jù)曲線，驗證了系統(tǒng)可實施性。