液冷一体储能电池管理系统的设计

资料来源：《一种液冷一体储能电池管理系统的设计》；

作者：南京南瑞继保电气有限公司

随着大容量、高功率密度储能的需求增长，液冷式储能成为行业发展趋势。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电池数据采集、系统控制管理与系统运维功能提出了更高要求。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

3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。

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。