3.1.4 电池管理系统

电池管理系统是采集、记录电池单元热、电、流体相关数据，控制或管理电池单元，并可以与其他设备进行信息传递的电气装置［28］。电池管理系统按照预先制定的控制逻辑对电池系统进行管理和控制，包含各类传感器、执行器、控制器、通信组件等。

电池管理系统是电池系统与用户之间的纽带。合理有效的电池管理系统，有助于电池系统运行在合理的优化状态，可以有效地防止电池系统过充、过放，改善电池系统运行能量效率，提升电池系统的可使用率，并有效延长电池系统的使用寿命。

本小节将对电池管理系统的功能进行阐述。为满足全钒液流电池系统安全、高效、可靠运行，电池管理系统应具备以下功能：

1）通信功能；

2）检测功能；

3）评估功能；

4）诊断功能；

5）控制功能；

6）记录功能。

上述功能是全钒液流电池管理系统必不可少的，任何一项功能都是不可或缺的。下面就上述各项功能逐一进行介绍。

1.通信功能

电池管理系统内部控制器与电池系统各类传感器、控制器等器件间信息传递以及其与外部系统，比如储能变流器、能量管理系统间的信息传递都是通过通信来完成的。通信功能是电池管理系统中最基础的功能，也是完成其他功能的基础。电池系统通信功能的快速、稳定、有效对于电池管理系统功能的实现是非常关键的。

除了电池管理系统中相关传感器、控制等器件的稳定运行之外，对于通信功能影响最大的就是电池管理系统所采用的通信架构。通信架构的合理性设计，可以使得电池管理系统保持快速响应、稳定运行。本书内容不对各种通信架构技术原理等进行详细介绍，仅对目前电池管理系统经常采用的几种通信架构进行简单描述，供读者了解。

（1）RS485

RS485有两线制和四线制两种接线方式。四线制只能实现点对点的通信方式，现在已很少采用，现在多采用的是两线制接线方式。这种接线方式为总线式拓扑结构，在同一总线上最多可以挂接32个节点。在RS485通信网络中一般采用的是主从通信方式，即一个主机带多个从机。RS485通信网络具有系统运行稳定、通信速率高等优点。其不足点主要表现：一是主从结构网络上只能有一个主节点，其余均为从节点。其造成的弊端为无法构成多主节点冗余结构的系统，因而对主节点的要求特别高，否则一旦主节点出现故障，整个系统将处于瘫痪状态。二是数据通信方式为命令响应型，网络上任一次数据传输都是由主节点发出命令开始，从节点接到命令后以响应的方式传给主节点，这一特点使得网络上的数据传输效率大大降低，且使主节点控制器非常繁忙，下端出现异常时，数据不能立即上传，必须等待主节点下发命令，灵活性相对较差。

（2）CAN总线

CAN总线是一种支持分布式实时控制系统的串行通信的局域网络，由于其高性能、高可靠、实时性好及其独特的设计，广泛应用于控制系统的各检测和执行机构之间的数据通信。CAN总线具有如下特性：

1）总线式结构。一对传输线（总线）可挂接多台现场设备，双向传输多个数字信号，这种结构比一对一的单相模拟信号传送结构布线简单，安装费用低，维护简便；

2）开放式操作性。现场总线采用统一的协议标准，是开放式的互联网络，对用户是透明的。在传统通信系统中，不同厂家的设备是不能互访的。而CAN采用统一标准，不同厂家的网络产品可以方便地接入同一网络，集成在同一控制系统中进行互操作，简化了系统集成；

3）彻底分散控制。现场总线将控制功能下放到作为网络节点的现场仪表和设备中，做到了彻底分散控制，提高了数据的准确度和抗干扰性。将控制功能放到现场设备中，使风险分散，系统的可靠性提高；

4）信息综合，组态灵活。通过数字化传输现场数据，CAN总线能获取现场仪表的各种状态、诊断信息，实现实时的系统监控和管理；

5）实时数据的周期性传输。根据实时数据的现实要求，一般为1s循环传送，这样进行数据处理后送后台机屏幕显示实时数据，确保3s内刷新。

CAN网络中任一节点均可作为“主节点”主动地与其他节点交换数据，彻底解决RS485总线长久以来一直困扰人们的“从节点”无法主动与其他节点交换数据的问题，并由此而给用户的系统设计提供了极大的灵活性并可大大提高其系统性能。CAN网络中的节点可分优先级，这也是RS485无法比拟的。另外，CAN的物理层与链路层采用独特的设计技术，使其在抗干扰、错误检测能力方面的特性远远超过RS485。

（3）工业以太网

工业以太网是应用于工业控制领域的以太网技术。工业以太网技术具有价格低廉、稳定可靠、通信速率高、软硬件产品丰富、应用广泛以及支持技术成熟等优点，已成为最受欢迎的通信网络之一。近些年来，随着网络技术的发展，以太网进入了控制领域，形成了新型的以太网控制网络技术。这主要是由于工业自动化系统向分布化、智能化控制方面发展，开放的、透明的通信协议是必然的要求。以太网技术引入工业控制领域，其技术优势非常明显：

1）以太网是全开放、全数字化的网络，遵照网络协议不同厂商的设备可以很容易实现互联；

2）以太网能实现工业控制网络与企业信息网络的无缝连接，形成企业级管控一体化的全开放网络；

3）软硬件成本低廉。由于以太网技术已经非常成熟，支持以太网的软硬件受到厂商的高度重视和广泛支持，有多种软件开发环境和硬件设备供用户选择；

4）通信速率高。随着企业信息系统规模的扩大和复杂程度的提高，对信息量的需求也越来越大，有时甚至需要音频、视频数据的传输，当前通信速率为100Mbit/s以太网已经广泛应用，千兆以太网技术也已投入运行应用并不断拓展，10Gbit/s以太网也正在研究，其速率比现场总线快很多；

5）可持续发展潜力大。在这信息瞬息万变的时代，快速而有效的通信管理网络至关重要。信息技术与通信技术的发展将更加迅速，也更加成熟，由此保证了以太网技术不断地持续向前发展；

上述3种网络通信架构目前在电池领域均有采用，通常需根据通信协议对接、通信速率、通信距离、通信负荷、安全等因素统筹考虑，选择较为合适的网络通信架构。

2.检测功能

全钒液流电池系统所需检测测量的信号主要包括：电压、电流、温度、管路压力、流量等。

（1）全钒液流电池系统电压信号

全钒液流电池系统的电压信号主要包括电堆电压、电池系统总电压以及电池开路电压（Open Circuit Voltage，OCV）等。电堆电压用于表征电池系统运行过程中的电堆电压一致性。如果单个电堆电压超出电堆平均电压一定程度后，可作为评估电堆是否出现异常的一种判据，为电堆检修提供依据。电池系统总电压是用于电池充放电控制的一个重要参数。当电池系统总电压达到一定限值后，电池管理系统会把该信息上传至能量管理系统，能量管理系统将根据现场工况采取停止充电或者用恒压限流的方式进行充电。比如，一旦电池系统总电压超出上限值，能量管理系统将采取停止充电动作，如果不能停止充电，电池管理系统与储能变流器之间的物理干接点功能设置可以直接令储能变流器停止充电，防止电池系统因为过充放而导致损坏。电池开路电压是表征电池系统荷电状态的重要指标，用于估算电池系统的荷电状态，同时也是电池管理系统及储能系统能量管理系统进行充放电管理的重要参数，对于电池储能系统的运行安全以及电池储能系统的有效调度非常关键。

（2）全钒液流电池系统电流信号

针对含有电堆串并联情况下的全钒液流电池系统，测量的电流信号包括电池系统直流母线总电流、电堆并联支路电流两项。电池系统直流母线总电流的检测主要用于判断充放电过程中是否出现超过电池系统充放电电流上限情况。一旦出现该情况，电池管理系统会把相关信息上传至能量管理系统，采取降功率或停机等措施，保障电池系统的安全运行。电堆并联支路电流的测量主要面向由多个电堆串并联构成的电池系统。并联支路电流的检测，可以用于判定并联支路电流分配的均匀性，为电池系统运行状况判断，增加一个判据。如果并联支路电流相差较大，意味着并联支路间电堆、电解液流量或其他方面出现了差异，需要进行检修和维护，以便确定原因，排除风险。

（3）全钒液流电池系统温度信号

电解质溶液温度信号是电池管理系统进行热管理的重要参考依据。电池管理系统设定了电解质溶液温度上限和下限，并同电池系统中的制冷和加热系统进行联动，保障电池系统电解液温度维持在合理温度范围，有利于电池系统的能效改善和系统运行长期稳定。通常情况下，电池管理系统还要监测环境温度，环境温度的测量用于对电池系统运行环境温度变化情况的记录，为电池系统运行分析提供背景数据。

（4）全钒液流电池系统管路压力及流量信号

电解质溶液的压力和流量是表征电解液输送单元工作正常与否的关键指标。全钒液流电池系统包含有正负极电解质溶液两套输送管路，管路压力及流量的测量也包括对正负极电解质溶液两套输送管路的测量。通过测量管路压力，可实时监测正负极电解质溶液管路的压力差。一旦压力差达到设定的上限值，电池管理系统会通过运行策略的调整，对压力差进行调整，避免出现电堆内部离子传导膜两侧的压力差过大，降低因为压差过大导致电堆出现膜材料破裂的风险。电解液输送单元的流量实时数据，可以为电池系统在不同的荷电状态下是否有足够的活性物质参与反应提供判据。通过调整电解液流量，尽量降低在充电末期或放电末期出现严重浓差极化的概率，改善电池系统的运行稳定性。同时流量作为判定电池系统运行状态是否正常的一种判据，电池管理系统可以用该数据指标作为辅助参数，判定电池系统运行状态。另外，管路压力和流量也可以作为相互验证指标是否正常的参考，为电池管理系统提供更加丰富的判断逻辑。

3.评估功能

基于快速稳定的通信功能和实时检测相关数据信息，电池管理系统可以对电池系统运行状态进行评估。评估的项目主要包括：电池的荷电状态（SOC）、充放电容量（瓦时数和安时数）、电池系统内阻、电池的健康状态（SOH）等。通过对电池系统运行状态的评估，不仅可以更好地保护电池系统，而且可以为使用者提供更方便的应用信息。

1）荷电状态（SOC）是表征全钒液流电池充放电状态的重要参数。理论上，荷电状态可以通过电解液中各离子所占的比例来定义。在实际应用模式下，为保持电池系统的稳定运行，电池在充电结束后，不会将正负极电解液中的钒离子完全转换为或V2+，放电结束后电解液中也会有或V2+剩余，即应用过程中不会达到理论SOC的100%或0%。因此，理论SOC数值更多地应用于理论计算，而在实际应用过程中，电池系统的荷电状态（SOC）通常与电池系统可充放电能量有关。根据《全钒液流电池 术语》（GB/T 29840—2013）中的定义，SOC是指电池实际（剩余）可放出的瓦时容量与实际可放出的最大瓦时容量的比值。对于同一全钒液流电池储能系统，通常而言，SOC越高，表示液流电池储能系统储存的电能越多，即可以放出的电能也越多；SOC越低，表示电池储存的电能越少，可以放出的电能越少。

全钒液流电池储能系统的荷电状态（SOC）与开路电压（OCV）有着密切的关系，如图3-19所示。假设液流电池储能系统运行过程中正负极电解液不发生迁移，理论SOC_theory可以通过测量正、负极中电解液的钒离子价态及浓度来计算，计算式见式（3-1）。但在液流电池储能系统运行中，由于受电解质溶液迁移、极化等因素影响，实际SOC都小于理论SOC_theory。

开路电压（OCV）是全钒液流电池储能系统在不进行充、放电运行时的电压，它反映了正、负极电解质溶液之间的电势差，与正、负极电解质溶液中钒离子浓度及价态密切相关，其计算式见式（3-2）：

根据式（3-1）可知，

在正极电解质溶液中：；c[VO2+]∝1-SOC_theory；

在负极电解质溶液中： c［V2+］∝SOC_theory；c［V3+］∝1-SOC_theory。

因此由式（3-1）和式（3-2）可得

由式（3-3）可知，在一定的温度下，全钒液流电池的OCV与SOC_theory密切相关。因此，通过测量正、负极电解质溶液中的钒离子浓度和价态，确定当前溶液的SOC，并记录当前的开路电压，即可得到SOC_theory-OCV标准曲线。图3-19显示的是环境温度25℃时，OCV与SOC_theory的关系曲线。从图中可以看出，当SOC在10%～90%范围内变化时，OCV与SOC_theory基本上呈线性关系，仅当SOC_theory较高或较低时，OCV才会出现突跃。在全钒液流电池实际运行管理过程中，利用图中的SOC_theory-OCV曲线，通过读取开路电压OCV值，即可以估算出当前电解质溶液的SOC。但若要得到实际的SOC值，需要对电池系统进行现场测试，确定实际SOC-OCV曲线，利用该测量曲线，通过读取OCV值能够比较准确地判断此时液流电池储能系统的实际SOC。

由于采用测量钒离子浓度的方法计算SOC_theory不具有即时性，且分析钒离子浓度需要专用的电位滴定设备，因此，研究实时观测全钒液流电池储能系统SOC_theory的方法对于其运行管理具有十分重要的应用意义。

通过上述理论分析可以看到，不同于传统固态电池，比如锂离子电池、铅酸电池、镍氢电池等，全钒液流电池系统的荷电状态（SOC）是可以进行高准确度测量的。而目前上述传统固态电池的SOC还不能十分准确地估算，至今目前还没有直接测量锂离子电池组SOC的方法，只有估算的方法，估算锂离子电池组SOC是模糊科学，甚至是一个猜想游戏［29］，从而在实际应用与理论之间形成较大差异，尤其是无法直接测量锂离子电池单体的SOC（铅酸电池可以通过比重计测量单体电池SOC），而单体电池SOC的准确测量对于上述固态电池系统的安全运行是至关重要的，也是目前上述固态电池尤其是锂离子电池急需解决的重大课题。全钒液流电池因为在充放电过程中活性物质是循环流动的，并在每节单电池内进行分配，且经过电堆后又在电解液储罐中汇集，混合均匀成为一体，所以全钒液流电池不需要对单体电池进行测量，只需要对电池系统整体SOC进行测量即能够满足电池系统运行控制的要求。

另外，通过监控全钒液流电池SOC，可以对电池的放电深度（DOD）进行监测和控制。放电末期SOC越低，意味着电池系统的放电深度越大。当SOC为0时，电池放电深度达到了100%。全钒液流电池系统DOD可以达到100%而不会对电池系统造成任何不可逆（比如容量衰减、内阻增加等方面）的损害。这也是全钒液流电池区别于固态电池的特性之一。

2）瓦时容量是指全钒液流电池系统在一定条件下，充满电后能够释放出来的能量，通常用瓦时数来表示。安时容量是指全钒液流电池系统在一定条件下，充满电后能够释放出来的电量，通常用安时数来表示。

通过对电池系统瓦时或安时容量的评估，可以用于测算电池系统的可充电容量和可放电容量。可充放电容量是调度电池储能系统较为重要的依据，可以为调度制定合理的充放电计划，以及为电池储能系统不同运行模式和功能的优化协调提供基础，具有非常重要的实际意义。

3）电池内阻：电池内阻是表征电池系统运行状态的重要参数。全钒液流电池系统内阻可以由电池管理系统通过电池系统OCV、电压（U）、电流（I）之间的关系计算得到。其数值变化可以用于判断电池系统的健康状态（SOH）的变化。

全钒液流电池系统内阻主要由电堆内部的各种极化内阻——电化学反应电阻、欧姆内阻和浓差电阻构成。上述3种电阻受多种影响因素影响，因此，全钒液流电池内阻在充放电过程是动态变化的，随着电池系统SOC、温度、电流方向（充放电）变化而变化，电池管理系统需要实时计算电池内阻。全钒液流电池系统通过以下公式对电池内阻进行计算。

式中 R——电池内阻；

U——电池系统单电池平均电压；

I——电池充放电电流。

目前，全钒液流电池的电池管理系统既可以测得电池系统总电压和总电流，也可以监测每个电堆的实时电压和电流，所以通过上述公式可以实时计算电池系统的总内阻以及每个电堆的内阻。通过分析电池系统总内阻和电堆内阻的变化情况可以对电池系统健康状态分析提供依据。

4）电池的健康状态（SOH）：电池健康状态（SOH）用于表征电池实际可利用容量相比于电池初始可利用容量的能力，以百分比的形式存在。SOH的变化体现出电池系统可利用容量的变化，也是电池系统自身运行状态变化的外在体现。开发全钒液流电池SOH高准确度表征评估技术可有效提高电池管理水平，通过高准确度评估和预测电池的健康状态，可以及时对电池系统的充放电控制策略进行调整，对电池系统运行维护提前发出预警，针对性制定调度运行策略，是电池储能系统安全、可靠稳定运行及维持高效可调度特性的必要手段。

目前，国内外对SOH的定义并不统一，主要体现在容量、内阻、循环次数和峰值功率等等几个方面，在铅酸电池和锂电池等固态电池体系中得到相对普遍的应用。全钒液流电池容量变化规律不同于常规的固态电池体系，最明显的差异是其容量衰减中的部分容量是可以恢复的，而铅酸电池和锂电池等固态电池容量衰减后是难以恢复的。因此，利用传统电池SOH来表征全钒液流电池是不全面的，不能全面反映电池系统的实际状况。有必要针对全钒液流电池容量特性，对SOH定义进行拓展和完善。新的SOH定义将继续以容量变化作为表征指标，但对电池系统的容量衰减特性进行了区分和表征。在实际运行过程中，全钒液流电池实际可利用容量的变化体现了电池系统的表观容量衰减，根据电池系统以容量为基准进行表征SOH的方法，此时的SOH指标体现的是表观容量衰减。但是该指标不能够反映出电池系统容量衰减的可恢复部分，即不能体现出电池系统SOH的可恢复性。如果不对容量衰减的可恢复部分给予有效管理，无疑会对电池系统的运行、管理和应用产生不利影响。

后续章节将对SOC、SOH等相关重要参数进行更为详细的介绍和阐述。

4.诊断功能

电池管理系统的诊断功能是通过对于电池系统运行状态参数的判断来实现的。根据电池系统状态参数判断电池系统是否处于正常或者故障状态，同时由电池管理系统将诊断结果上传，为用户提供准确的电池系统状态信息。

全钒液流电池管理系统通常具备以下基本诊断功能，详见表3-1［28］。

为了使用户更好地掌握电池系统运行状态，国家能源局发布的行业标准《全钒液流电池管理系统技术条件》（NB/T 42134—2017）建议电池管理系统扩展相关诊断项目，见表3-2。

基于上述诊断项目，一旦出现相关情况的异常，电池管理系统需要给出报警提示，并根据预先制定的电池管理策略对电池系统状态进行调节，并向能量管理系统或其他上级操作系统上传报警等信息。

电池系统制造商通常根据产品自身情况制定相关诊断功能。通常情况下是以满足用户正常调度使用和运行维护需求为原则。

5.控制功能

全钒液流电池管理系统在控制方面主要体现在下面几个方向：一是保护控制功能；二是电池系统运行优化控制；三是热管理。

（1）保护控制功能

电池管理系统的保护功能分为两个层面：一是保护电池系统自身；二是保护与电池系统对接的相关设备的运行安全。电池管理系统的保护功能在控制功能中放在首位，因为电池系统在运行过程中只有保护好自身及相关设备系统的安全，才能够保证电池系统的有效控制和调度，才能切实提高电池系统设备的可利用率，为用户提供最大的效用。

全钒液流电池系统运行时，根据影响电池运行安全的因素分析，在电池系统OCV、SOC、电池系统电流和电压、电解质溶液温度、电解液循环泵电流、电解质溶液输送管路压力及流体流量等多方面设定了安全阈值。上述因素的实时数据反映了电池系统的运行状态是否正常。电池管理系统通过相关传感器和通信，实时监控上述数据，一旦某些因素数据发生变化，超出所设定的阈值，电池管理系统会根据制定的电池管理策略发出中断请求，或者降低功率运行等指令，保证电池系统自身的运行安全。

以电池系统OCV或SOC数据监控为例进行进一步的阐述。全钒液流电池是通过实际测量OCV值，并通过相应的函数关系式进行计算得到SOC。通常情况下，全钒液流电池系统充放电OCV区间控制在1.25～1.50V，相对应的SOC为0～100%。在充电过程中，电池系统OCV逐渐增加，SOC也逐渐增大。当OCV达到1.50V而电池系统还处于连续充电状态时，电池管理系统会给能量管理系统或储能变流器（PCS）发出中断充电指令，停止给电池系统继续施加电流，保护电池系统运行安全。如果上述指令因为通信故障而不能够及时反馈时，电池系统与储能变流器间的物理干接点保护功能也能够通过物理方法强行切断电池系统与储能变流器的电气连接，中断充电操作。

除了针对充放电OCV、上限电压超限后的保护措施外，为了保证电池系统安全稳定运行，全钒液流电池系统在安全保护方面还要考虑另外3方面的因素：一是电解质溶液的泄漏；二是液流电池电堆保护；三是氢气的安全防护［30］。

电解质溶液的泄漏主要表现在管路、阀件连接处以及电堆等方面。电堆的漏液一般情况下属于轻微渗漏，不会造成电解液大面积泄漏，不会对电池系统运行造成显著影响，通常情况下不需要停机处理。管路及阀件连接处是全钒液流电池系统内电解质溶液泄漏几率相对较高的环节。电池系统运行过程中，电解液管路承受一定的压强，电解液循环过程中的压强可达0.3MPa，同时电解液温度也会随着运行环境和调度使用发生变化。在温度变化和一定压强情况下，电解液管路及阀件连接处经过一段时间运行后，发生漏液情况的概率相对较高，严重情况下会造成电解质溶液的喷溅，对电池系统运行造成的影响较大，需要采取停机措施进行处理。因此，全钒液流电池系统的电池管理系统对于电解质溶液泄漏状态监控给予较高等级。

目前，全钒液流电池系统在运行过程中对电解质溶液的泄漏制定了充分的预防、监测和紧急处理措施。首先在液流电池启动和运行过程中，应定期进行检查，提前发现可能出现的漏点，预防在先；同时设置漏液传感器对漏液进行实时监测并报警，缩短出现漏液的应对时间；最后一旦发生漏液，监测到漏液信号后，电池管理系统应及时停机，自动关闭有关阀门，避免漏液事故的进一步扩大，同时提醒工作人员及时处理。

电堆是全钒液流电池系统内进行充放电的场所，在电堆内部通过电化学反应完成电能与化学能的转换，实现电能的储存和释放。因此，实时监控电堆相关指标，为电堆性能稳定提供预先安全防护，对于电池系统正常运行至关重要。全钒液流电池系统充放电过程中，电堆电压作为判断电堆运行正常与否的一个重要指标，电池管理系统会实时监控每个电堆的电压数据。电堆内部单节电池电压是全钒液流电池系统运维过程中评估电堆状态的一项重要指标。通过电堆单电池电压巡检仪在运维过程中在线检测并收集单节电池电压。当电堆电压与电池系统电堆平均电压出现一定差异且呈现出扩大趋势时，电池管理系统会对电堆运行状态提出警示信息，需要根据维护操作规程，对电压异常电堆进行单电池电压数据采集。通过对比电堆在稳定功率输出时，某节单电池工作电压的变化，分析和判断导致这种变化的原因，并对电堆状态进行判断。在电堆性能进一步恶化发生前，采用针对性的控制及修复策略和措施，使电池电堆恢复到正常运行状态。当液流电池电堆及单电池电压偏离正常工作电压范围且无法通过修复策略和措施消除时，应采取停机，并综合分析电池系统相关参数等措施，避免电堆及液流电池系统的进一步损伤，保障电池系统运行安全。

液流电池在运行过程中，尤其在充电末期，会发生一定程度的副反应，在负极产生微量氢气，对氢气进行有效的监控和处理是保障全钒液流电池系统运行安全的一个关键环节。

针对室内全钒液流电池储能系统，为保证运行过程中氢气安全万无一失，一般采用惰性气体置换技术，及时排出电解液储罐中的氢气，并将氢气直接排至室外。同时要求全钒液流电池系统装置室内应设置可燃气体检测报警仪，并配置自然或机械通风装置，定期通风或在事故期间对装置室进行强制换风，避免氢气在储能装置室内的富集。对于小型液流电池系统，通常可采用钢瓶盛装的N₂进行吹扫的方式进行氢气置换。但对于大规模液流储能系统而言，不适宜采用上述措施。融科公司采用制氮机和定制的管路设计，能够自动、准确、安全地进行氢气吹扫，并将氢气排至室外，成功实现大规模全钒液流电池储能系统氢气安全的防护，如图3-20所示。

针对室外全集装箱式全钒液流电池储能系统，对于氢气安全的问题同样重要。但由于电池储能系统在室外布置，不会产生氢气的集中富集，而对氢气安全问题的关切主要集中于单个电池储能单元。通常需要在集装箱内部配置可燃气体监控仪，并和电池管理系统联动，定期开启通风系统，必要时强制启动通风系统，避免氢气在集装箱内部的富集，排除安全风险。

（2）运行控制优化

运行控制优化对于全钒液流电池系统高效运行是至关重要的。全钒液流电池系统能量效率不仅受到电堆自身能量转换效率的影响，而且受到电池系统电解质溶液温度、辅助功耗（自用电）等方面的因素影响。

电解质溶液的温度对于电池系统效率及容量可利用率具有显著影响。在电解质溶液所允许的工作温度范围内，电解液温度越高，电池系统的能量转换效率越高，容量可利用率越高，电解液温度越低，电池系统的能量转换效率越低，且容量可利用率也越低。因此，电池管理系统对于电解质溶液温度的优化控制是非常重要的。

全钒液流电池系统辅助用电（自用电）主要包括电池管理系统、制冷设备、制热设备、电解质溶液循环泵等。其中，电池管理系统是一直维持通电运行的，但是能耗较低。制冷设备和制热设备一般情况下都是间歇运行的，且两种设备不同时运行，其运行频次与电池系统运行频次、充放电功率高低有关。

全钒液流电池系统中电解质溶液循环通常是由泵来驱动实现的。因此，不同于其他类型固态电池，全钒液流电池对于电解质溶液循环泵的优化控制是其独有的特性之一。电解质溶液循环泵在电池系统充放电过程中一般是要连续运行的。电解质溶液循环泵的功率配置根据电池系统电解液流量的需求以及系统输送单元的流阻等因素而定。上述因素又受到电池系统额定功率的影响。电池系统额定功率越高，充放电过程中所需要的电解质溶液的流量越大，目的是要保证电池系统充放电过程维持活性物质在电堆内部的更新，尽量避免浓差极化现象的出现。为保证电解质溶液的最大流量，泵选型一般按照最大流量及其对应的扬程选型。然而，在充放电过程中存在充放电功率的变化、SOC的变化，而不同工况下所需的流量是不一致的，如果电池管理系统按照泵的最大流量维持电解质溶液的循环，无疑是不合理的，会导致系统中循环泵的用电功耗太高。

为了优化电解质溶液循环泵的功耗，全钒液流电池系统在设计过程中对循环泵采取变频调节策略，以达到调节流量和优化功耗的目的。电池系统中为循环泵配置了专用变频器，变频器可以对循环泵工作频率进行从0～50Hz间的连续调节。全钒液流电池管理系统关于电解质溶液循环泵的变频调节策略要根据充放电功率、电解液温度、SOC等多方面综合考虑而制定。目前，从事全钒液流电池技术及产品开发的科研机构及企业均在循环泵的变频调节、降低功耗等方面投入了大量研究工作和实际测试。具体的优化运行策略各公司均处于严格保密状态，在本书中不做过多介绍，只是对其运行优化原理进行简介。

（3）高效的热管理

热管理是电池管理系统的主要功能之一。全钒液流电池热管理系统主要由制冷设备、伴热设备、换热器、温度传感器、温控设备构成。通过有效的电池热管理，可以维持全钒液流电池电解质溶液维持在最佳的运行温度区间，不仅有利于改善电池系统充放电能效，而且还有利于保证电池系统的长期运行稳定性，提高电池系统寿命。因此，高效热管理是决定全钒液流电池系统运行能效、安全性、寿命的关键因素之一。

1）高效热管理可保持电池系统运行在适宜的温度区间。通常情况下，当电解质溶液温度降低时，会导致电化学反应极化电阻增加，电解液离子传导率下降、电解液黏度增加使得浓差极化情况更趋严重，上述因素均导致电池系统充放电极化增大，电池效率会降低，全钒液流电池充放电容量发生衰减，并导致容量可利用率降低。当温度过低时，将导致电池系统因为电池系统内阻大幅增加，导致无法进行充放电。

2）电池系统运行温度对于其功率输出能力也有很大影响。通常情况下，在正常温度范围内，随着电解质溶液温度的升高，电化学反应活性增加，电解液离子传导率增大、电解液黏度降低使得浓差极化程度降低，上述因素均使得电池系统功率输出能力增加。而电解质溶液温度降低则相反，会导致电池系统总的内部各项极化增加，电池系统功率输出能力降低，温度低至一定情况下，会出现达不到额定功率输出的情况，严重影响用户使用。

3）电池系统能量转换效率与温度密切相关。随着电解质溶液温度的上升，因为电池系统内部电解质溶液、离子传导膜等欧姆电阻降低和电化学反应活性的增加，全钒液流电池系统能量效率呈现出升高的趋势。

4）通常情况下，电解液温度过高或过低，均会对钒金属离子稳定性产生不利影响。当温度超过40℃时，正极电解质溶液五价钒离子发生结晶、产生沉积的风险增加，容易导致电堆、管路等部位发生堵塞，电池系统无法正常充放电，严重情况下会对电池性能和寿命造成不可逆的影响；而当电解液温度过低时，三价钒离子和二价钒离子则容易发生结晶析出。

全钒液流电池系统运行时，电池管理系统会对电解质溶液温度进行实时监控，一旦出现电解质溶液温度超过上限或低于下限时，根据预先制定的运行策略启动制冷或伴热设备，保证电解质溶液温度保持在较为适宜的温度范围内。

全钒液流电池充放电过程中，能量的损耗大部分转换为热量释放在电解质溶液中。根据实际运行数据统计，如果电池系统不需要长时间停机搁置，随着电池系统充放电的进行，温度是逐渐上升的。所以在电池系统热管理中更为重要的是热量产生后的散热管理，更加侧重于防止电解液温度出现偏高的现象。全钒液流电池系统的散热方式主要分为风冷和液冷两种。风冷方式分为自然冷却和强制冷却两种，分别利用自然风或风机，使空气在风冷换热器的表面自然流过或强制流过，通过热的对流，达到降低电解质溶液温度的目的。采用风冷方式，以气体（空气）作为传热介质的主要优点有：结构简单，成本较低，无漏液风险，而且对有害气体或可燃危险气体产生通风排除作用，改善安全性。不足之处在于：与电池系统换热器壁面之间换热系数低，冷却速度慢，效率相对较低。目前，全钒液流电池系统产品采用风冷方式的公司主要为日本住友，其开发的百kW级电池单元配置强制风冷换热系统，如图3-21所示。其基本原理是将电解液循环管道分配到热交换器内部的多个小直径管道中，以增加管道的表面积，在电池管理系统的统一指令下，利用强制流通的空气吹扫电解液循环管道，实现热量的交换和排除。

液冷方式是通过低温液体通过热交换器与电解质溶液进行换热，将电池系统产生的热量带走，达到保持电解质溶液在适宜温度范围的目的。全钒液流电池系统典型电解质溶液液冷方式原理如图3-22所示。在电解液输送管路上配置管壳式换热器，电解质溶液流经换热器壳程，低温液体流经换热器中的管程。电解质溶液通过管壁与低温液体进行热交换，低温液体吸取热量后返回到压缩制冷机，通过压缩直冷机将热量排到环境空间，最终实现热量的排除。

液冷方式具有热交换速率高，换热器体积相对较小的特点。目前，大连融科储能技术发展有限公司的全钒液流电池储能单元通常采用液冷方式进行散热管理。

6.记录功能

电池管理系统中包含数据存储系统，用于对电池系统中的检测量和诊断量进行存储。电池管理系统数据记录的方式可以采用上位机软件、计算机记录数据、将数据写入存储卡内等。

通过电池管理系统记录功能，除了记录上述所述的电池系统运行状态诊断量数据，全钒液流电池系统的数据记录中检测量主要包括下面基本参数：

1）电堆电压；

2）电池系统总电压；

3）电池系统总电流；

4）电池系统并联支路电流；

5）电池系统开路电压（OCV）；

6）电池系统荷电状态（SOC）；

7）电解质溶液温度；

8）环境温度；

9）正负极电解液输送管路压力；

10）正负极电解液流量；

11）正负极电解质溶液循环泵电流。

通常情况下，一般要求电池管理系统能够对电池系统的各项事件及历史数据进行存储，并具备记录不少于10000条及时间不少于30天的历史数据。

电池管理系统的数据记录可用于在线或离线分析电池性能和电池故障的诊断，为电池系统运行优化提供参考，也可以分析电池系统整个生命周期内的使用情况，对电池系统的使用状况进行统计分析。同时利用数据库，还可以形成数据报表，为用户提供日报表以及月度报表，用于分析日或月度充放电电量及能效等关键运行指标，为电池系统运行调度和状态评估提供分析依据。