一种液冷一体储能电池管理系统的设计

潘明俊，魏阳超，王峰，魏阳，李响

（南京南瑞继保电气有限公司，南京 211102）

0 引言

目前主流电池储能系统有风冷和液冷两种。常规风冷储能系统需要布置大量的风扇进行散热，并需要布置大面积的散热通道，电池模组需要配置较多的电池机架［1］。液冷式储能可以将原来的小容量模组改成大容量［2］的电池模组，减少占地面积，从而减少了储能舱占用的空间。在大力发展储能市场背景下，储能电站容量持续增加，液冷方案凭借制冷效率高、能耗低、容量大等优势，占比快速提升，成为行业发展趋势。

电池管理系统是储能系统中很重要的环节，过充、过放、温度异常等都可能影响电池寿命，增加储能系统的维护成本［3］。液冷式电池模组容量大、电芯数量多、系统电压高，对电池管理系统实现实时电池数据采集、各子系统协调管控与系统便捷运维功能提出很高的要求。液冷PACK（电池包）内的电芯数量大，电芯电量异常会带来较大的补电维护工作量。目前市场上大多的储能电池管理系统仍是针对风冷储能系统，针对液冷式储能系统的电池管理系统较少，现有的液冷一体储能系统现场运维不便，系统内PACK 管理单元需单独下载程序、设置地址，将投入更多运维资源。

本文针对液冷式储能系统应用需求，设计了一种基于液冷一体储能系统的电池管理系统。通过控制单元协调控制各子系统，减少了PACK 管理单元程序下载、地址设置等维护工作，并在系统内设计蓝牙通信运维，为运维人员提供便捷运维接口。系统内设计均衡电路减少电池补电工作，解决液冷储能系统关键问题。

1 液冷一体储能电池管理系统方案设计

1.1 系统架构设计

本文设计了一款液冷一体储能系统，系统框图如图1所示。整个系统将储能变流器、高压控制箱、水冷系统、消防系统与8 套液冷PACK 集成于一体。每个液冷PACK 上安装一套PACK 管理单元，系统高压箱控制箱里配置一套控制单元。控制单元为系统的控制中枢，负责协调储能变流器、水冷系统和消防系统，汇总各液冷PACK 的数据并提供人机交互接口。

图1 液冷一体储能系统框图Fig.1 Block diagram of liquid-cooling integrated energy storage system

1.2 管理系统通信组网

基于系统设计了液冷电池管理系统的通信组网，如图2所示。整个电池管理系统主要是两级通信。PACK 管理单元间通过以太网线作为媒介形成菊花链双环网通信，PACK 管理单元首尾的通信节点连接到控制单元形成第一层通信组网。第二层为控制单元与各外设之间的通信组网。控制单元与储能变流器之间通过GOOSE（面向通用对象的变电站事件）直通进行组网，控制单元与消防系统间通过CAN 接口进行通信，水冷系统通过RS485 接口与控制单元进行通信。另外预留了以太网接口可以连通客户端显示控制单元采集的数据，或者通过手机蓝牙来连通控制单元。

图2 管理系统通信组网Fig.2 Communication network for management system

2 液冷一体储能电池管理系统硬件设计

根据总体系统设计架构，整个液冷一体储能电池管理系统设计了两层装置，第一层为液冷PACK 管理单元，第二层为控制单元。控制单元安装于高压控制箱内部，并设计有基于手机APP（应用程序）蓝牙通信或者PC端以太网通信的人机交互单元。

2.1 液冷PACK管理单元

液冷PACK 与常规风冷PACK 相比，PACK内部电芯的数量是风冷PACK 的3～4 倍，每个PACK 管理单元需要实时监测52 个电芯的单体电压、单体温度并根据运行状态实时进行均衡管理与热管理。每个PACK为系统内独立的最小单元。

每个液冷电池PACK 都相应地配置一套PACK 管理单元。设计框图如图3 所示。每个PACK 管理单元支持52 节电芯单体电压的采集功能以及各通道的被动均衡功能，同时支持52 路全温度采集功能，可以根据工程配置需求设置温度采集通道数。实时采集每个电芯的单体电压信息，实时获取电芯一致性，通过逻辑控制实时开启被动均衡，调整整个电池PACK 内电芯的一致性。当实时采集到的温度超出电芯最适宜的工作温度范围时，通过控制单元向水冷机输出指令调节电池PACK 温度。液冷PACK 管理单元内部无逻辑芯片，各个液冷PACK 管理单元全由控制单元来整体控制，无需设置独立地址与程序下载。

图3 液冷PACK管理单元设计框图Fig.3 Block diagram of liquid-cooling PACK management unit design

2.2 控制单元

控制单元是整个液冷一体储能电池管理系统的核心，如图4所示，控制单元汇总整个液冷储能系统所有PACK 管理单元内各单体电压、温度信息。控制单元采集系统的系统电压、簇电压以及簇电流。控制单元结合单体电芯信息与簇级信息，估算出整个液冷PACK 的荷电状态与电池的健康状态。控制单元通过CAN通信的方式与消防系统实现通信联动。控制单元通过RS485 通信的方式与水冷系统实现互通，能收到报警信号并发出控制信号。储能变流器与控制单元之间通过GOOSE直联，实现储能变流器与控制单元联动控制。控制单元对外可提供蓝牙通信接口。

图4 控制单元设计框图Fig.4 Block diagram of control unit design

2.3 高压控制箱设计

每个液冷一体储能系统会配置一套高压控制箱，高压控制箱动力回路原理如图5所示。高压控制箱实现储能变流器与液冷电池PACK 之间的动力回路连接。系统设计中维护开关设置于储能变流器内部，高压控制箱内部在电池正母线与负母线分别设计有熔断器。系统的回路电流通过分流器系统进行采集。

图5 高压控制箱动力回路原理Fig.5 Schematic of power circuit of high voltage control box

每套高压控制箱内部都集成了一套控制单元。高压控制箱连接储能变流器与电池PACK 组。通过正、负电池母线上的熔断器来实现过流保护。控制单元通过分流器采集回路内的系统电流。高压控制箱内设计有散热风扇用于加速高压控制箱内部发热体散热。开关电源用于给交换机与控制单元提供电源，交换机实现控制单元与储能变流器人机交互单元等通过以太网进行通信。整个高压控制箱的布置如图6所示。

图6 高压控制箱布置Fig.6 Layout diagram of high voltage control box

2.4 人机交互设计

为了方便运维，本文所提出的液冷式储能电池管理系统设计了人机交互接口。

控制单元设计了以太网通信接口，可通过电脑客户端上的调试软件连接控制单元，实时读取控制单元所汇总的数据信息。

针对不方便通过电脑连接的情况下，本系统设计了蓝牙通信接口，本系统设计有手机端APP软件，手机通过APP 可以直接连接控制单元，运维人员通过手机APP直接读取储能系统实时数据。蓝牙通信连接主界面以及连接后主要信息如图7所示。

图7 手机客户端交互页面Fig.7 Interaction interface on mobile client

3 关键功能实现与系统应用

按照本文所设计的液冷一体储能系统，PACK 管理单元实现PACK 内每个单体电芯电压采集、单体温度采集以及模组电压均衡。电池PACK 内的单体电芯间存在一致性问题，电池PACK 的续航能力是由整个PACK 里最差一节电芯决定的［4］。液冷PACK 内存在52 个单体电芯，当出现单体电芯容量异常时，需要通过繁复的步骤对电芯进行补电操作。设计均衡系统可减少人为补电等干预操作，并延迟电池PACK 的工作时长。

3.1 电池均衡管理

目前主流均衡拓扑按照能量传递方式分为能量耗散型均衡和能量非耗散型均衡，也被称为被动均衡与主动均衡［5-6］。被动均衡是把电池PACK内电量较高电芯的能量通过发热的形式消耗掉，以达到电池PACK 内电芯电量的一致性。主动均衡的目标是将电量较高的电芯转移到电量较低的电芯，并将电量较高的电池PACK 的能量转移到电量较低的电池PACK。

目前被动均衡的方案已经比较成熟，电路结构简单，实现元器件少，可靠性高，并且成本相对较低。目前主动均衡有电容型均衡拓扑、电感型均衡拓扑、变压器型均衡拓扑、变换器型均衡拓扑［7-11］。储能电池管理系统目前并没有一种十分成熟可靠的主动均衡方案，目前的主动均衡方案分立器件多，成本高。主动均衡方案中均衡通道分立器件远多于被动均衡，系统可靠性风险远高于被动均衡。

综合成本与均衡回路可靠性，本文所设计的液冷一体储能系统按照被动均衡的方案设计了均衡控制电路。目前被动均衡设计方案主要有两种，一种是均衡电路使用AFE（模拟前端）芯片内部的MOS（半导体场效应晶体管）。第二种是均衡电路使用AFE芯片外置MOS。

3.1.1 内置MOS被动均衡

目前芯片内置MOS 被动均衡方案主要有3种，方案原理框图如图8—10 所示。其中Rci为内置MOS 方案采样回路滤波电阻，Rsi为内置MOS方案均衡回路的均衡电阻，Ci为内置MOS方案差分采样回路滤波电容，NMOS（N沟道型场效应晶体管）与PMOS（P沟道型场效应晶体管）为AFE芯片内部的MOS。

1）内置MOS 被动均衡方案一如图8 所示，电芯、均衡电阻Rsi、内置MOS 与滤波电阻Rci之间形成均衡回路。均衡电流Ib与电芯电压Vc之间的关系如式（1）所示：

图8 芯片内置MOS被动均衡方案一Fig.8 Passive equalization scheme 1 of chip built-in MOS

适用于方案一的典型芯片有ADI的LTC681X等。该方案均衡电流会流过采样回路的滤波电阻Rci与均衡电阻Rsi。因此采样回路滤波电阻Rci不能太大，否则均衡电流会很小，均衡效率很低。

2）内置MOS 被动均衡方案二如图9 所示，电芯、均衡电阻Rsi、内置MOS 之间形成均衡回路。均衡电流Ib与电芯电压Vc之间的关系见式（2）：

图9 芯片内置MOS被动均衡方案二Fig.8 Passive equalization scheme 2 of chip built-in MOS

适用于方案二的典型芯片有NXP的MC33771X等。该方案问题点在于芯片引脚增多，封装增大，同时均衡电流会流过芯片内部，芯片内部热量比较难散掉。

3）内置MOS 被动均衡方案三如图10 所示，电芯、均衡电阻Rsi、内置MOS、相邻通道均衡电阻Rsi之间形成均衡回路。均衡电流Ib与电芯电压Vc之间的关系如式（3）所示：

图10 芯片内置MOS被动均衡方案三Fig.10 Passive equalization scheme3 of chip built-in MOS

适用于方案三的典型芯片有TI 的BQ7961X等。该方案问题点在于均衡通道需要奇数与偶数分别打开。若相邻通道均衡MOS打开，通过内部MOS 的电流会过大，容易导致芯片内部发热严重。

上述3种被动均衡方案，均衡电流上限受限于AFE芯片内部的MOS，并且各有相应的局限点。

3.1.2 外置MOS被动均衡

针对内置被动均衡所存在的局限点，AFE 芯片也能支持外扩外部MOS来实现被动均衡。

本文PACK 管理单元被动均衡方案原理按照图11 设计。其中，Rce为外置MOS 方案采样回路滤波电阻，Rse为外置MOS方案均衡回路的均衡电阻，Ce为外置MOS 方案差分采样回路滤波电容，Re为均衡控制脚限流电阻。MOS为外置均衡回路MOS。

如图11 所示的外部被动均衡方案，电芯、外置MOS 与均衡电阻Rse之间形成均衡回路。均衡电流Ib与电芯电压Vc之间的关系如式（4）所示：

图11 外置MOS被动均衡原理框图Fig.11 Block diagram of passive equalization principle of external MOS

该方案中将被动均衡开关MOS 转移到AFE芯片外部，均衡电流引起的发热从芯片转移到外部，同时可以根据均衡电流的需求来调整MOS参数以及均衡电阻Rse大小。同时采样回路滤波电阻Rce可以适当增大阻值，增加系统的抗扰性。

对比4 种被动均衡方案，本文选择外置MOS被动均衡方案设计了均衡电路，根据实时电芯数据采集，软件逻辑控制开启高电压通道均衡功能，将模组内电芯电压设为一致。

3.2 系统运行应用

本文所设计的液冷一体储能系统工程化应用于某工厂削峰填谷场景［12-15］。用户在用电低谷时间段对储能系统进行充电，将电能存储进电池系统。用电高峰时间段，对电池系统进行放电，运用储能系统内存储的能量。该系统目前现场可靠运行，将用电高峰电价转为低谷电价，为用户节省用电费用。现场运行的照片如图12所示。

图12 液冷一体储能系统现场运行Fig.12 Field operation of liquid-cooling integrated energy storage system

本文所设计的液冷一体储能系统在现场可靠地实现能量存储与能量释放的循环。控制单元内存储单元记录了现场充、放电过程中的电芯电压数据。循环过程中，充电设置单体电压上限值为3.65 V，放电设置单体电压下限值为2.9 V。数据记录了系统完整的满充、静置、满放、静置过程的电芯电压数据。

整个系统电池簇包括8个PACK，每个PACK内有52 节电芯，每个PACK 为一个独立最小单元，随机选取一个电池PACK 作为监视对象，以运行时间点作为横坐标，电芯电压作为纵坐标，绘制数据曲线如图13所示。图13绘制了一个液冷PACK 管理单元所采集的一个液冷PACK 内52 个电芯数据曲线。由图13可知，52路电芯曲线趋势一致性良好，系统可靠地完成能量存储与释放的循环过程。

图13 实际充放电运行电芯数据曲线Fig.13 Cell data curves of actual charge/discharge operation

4 结语

本文提出了一种基于液冷一体储能系统的电池管理系统，该系统设计了两级通信两层装置。介绍了整个系统通信架构以及各级管理单元的设计，并阐述了各单元的功能配置。对比目前市场常见的4 种被动均衡方案，介绍了3 种内置MOS被动均衡方案，指出了3 种方案所存在的局限点。针对内置被动均衡所存在的局限点，本文采用外置MOS的方案设计了被动均衡电路，实现均衡控制减少人为补电操作。

本文提出的液冷一体储能电池管理系统已在实际工程中运行应用，并获得了系统完整充放电循环的数据曲线，验证了系统可实施性。