大容量蓄電池控制系統(tǒng)的研發(fā)

吳比，許傲然，閆爾康，程羽中

(沈陽(yáng)工程學(xué)院，遼寧 沈陽(yáng) 110136)

大容量蓄電池控制系統(tǒng)的研發(fā)

吳比，許傲然，閆爾康，程羽中

(沈陽(yáng)工程學(xué)院，遼寧 沈陽(yáng) 110136)

蓄電池的監(jiān)控器(BMS)主要針對(duì)中小容量蓄電池，隨著電子開(kāi)關(guān)技術(shù)和智能微電網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，研發(fā)做為儲(chǔ)能設(shè)備的大容量蓄電池控制系統(tǒng)成為了亟待解決的問(wèn)題。提出了針對(duì)大容量蓄電池的控制系統(tǒng)，并且可以提高電池的使用安全性，使用壽命，以及使用效率，同時(shí)降低成本。所設(shè)計(jì)的蓄電池控制系統(tǒng)具有以下功能：(1)蓄電池管理系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集；(2)蓄電池管理系統(tǒng)具備的功能，進(jìn)行了蓄電池并網(wǎng)的充放電試驗(yàn)，驗(yàn)證了系統(tǒng)的正確性；(3)電池管理系統(tǒng)工作原理，均衡效果和優(yōu)缺點(diǎn)。

電池管理系統(tǒng)；電池均衡；儲(chǔ)能設(shè)備

1 引言

蓄電池，即人們所說(shuō)的二次電池，在充放電過(guò)程中，無(wú)論是使用悠久、廣泛的鉛酸電池，還是具有廣闊發(fā)展空間的鋰離子電池，最怕的就是過(guò)充電和過(guò)放電。一旦發(fā)生過(guò)充電或者過(guò)放電，電池就會(huì)發(fā)生損壞，使用容量降低，壽命剪短。在嚴(yán)重的情況下，會(huì)發(fā)生爆炸或者起火燃燒。特別是鋰離子電池，由于電池過(guò)充，過(guò)放電通常引起爆燃現(xiàn)象。

因此，蓄電池在使用過(guò)程中，應(yīng)當(dāng)引入電池的自我監(jiān)控系統(tǒng)，這是保證電池安全、性能、壽命的必不可少的措施。由于電池的一致性誤差會(huì)引起電池自身發(fā)生過(guò)充，過(guò)放電的現(xiàn)象。同時(shí)，蓄電池組中各個(gè)單體電池的制造和使用條件不同，其特性存在差異。即蓄電池的內(nèi)阻、電壓、容量和自放電率，在不同充放電倍率、不同荷電狀態(tài)、不同的使用方式的條件下，是有差異的，如果在充電，放電過(guò)程中沒(méi)有得到有效控制，將導(dǎo)致電池容量和壽命的急劇下降。最終可能引起事故的發(fā)生。這是蓄電池使用中經(jīng)常出現(xiàn)的問(wèn)題。

因此，近幾十年來(lái)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者都致力于解決蓄電池自我監(jiān)控系統(tǒng)中誤差所帶來(lái)的危害。開(kāi)發(fā)出了各種各樣的電池自我管理系統(tǒng)(BMS)。針對(duì)大容量蓄電池的自我監(jiān)控系統(tǒng)具有高低壓，高低溫，和過(guò)流短路等多項(xiàng)常規(guī)保護(hù)功能和儲(chǔ)備電量的測(cè)量功能。基于目前的研究狀況大容量蓄電池的控制管理系統(tǒng)屬于行業(yè)空白，本文提出了帶有太陽(yáng)能充電系統(tǒng)的大容量蓄電池控制系統(tǒng)原理框圖如圖1所示，本系統(tǒng)可以利用通信傳感器技術(shù)實(shí)時(shí)顯示蓄電池的狀態(tài)，同時(shí)通過(guò)控制器控制蓄電池的充放電。本文提供充放電試驗(yàn)的結(jié)果，驗(yàn)證本文控制系統(tǒng)的正確性。

圖1 系統(tǒng)原理框圖

2 蓄電池管理系統(tǒng)組成

2.1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

電池由充電裝置、蓄電池組、調(diào)壓裝置、配電開(kāi)關(guān)和相關(guān)控制、信號(hào)、保護(hù)、調(diào)節(jié)等單元組成。系統(tǒng)具備遙控監(jiān)視功能。

遙信：采集遠(yuǎn)程信息，包括充放電工作狀態(tài)、饋線回路狀態(tài)、電池工作狀態(tài)、絕緣狀態(tài)、交流電源狀態(tài)；

遙測(cè):遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)，包括充電模塊電壓、電流、蓄電池組電壓、電流、電池組及母線對(duì)地絕緣電阻。

遙控：遠(yuǎn)程控制

設(shè)計(jì)思路：當(dāng)輸出過(guò)載也即輸出電流超出設(shè)定值時(shí)，能夠自動(dòng)切斷電源的輸出，實(shí)現(xiàn)電池的自身過(guò)載保護(hù)。對(duì)于這種過(guò)載或是短路發(fā)生在兩極之間時(shí)，此設(shè)計(jì)響應(yīng)更快，并且在過(guò)載或短路解除前這種狀態(tài)持續(xù)可靠，而當(dāng)短路或過(guò)載消失時(shí)，電池可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)恢復(fù)供電，不需要人為控制，這就是電池自我控制系統(tǒng)與常規(guī)的電池主要區(qū)別，在蓄電池內(nèi)部正極串聯(lián)了控制系統(tǒng)。

2.2 控制器的功能

控制器芯片是整個(gè)系統(tǒng)的核心部分。主要是對(duì)于蓄電池狀態(tài)信號(hào)的采集、傳輸、處理，并通過(guò)蓄電池充放電的進(jìn)行控制信號(hào)管理，系統(tǒng)采用ATmega16L,它通過(guò)單片機(jī)模式提供Flash、EEPROM和10位ADC的高效的8位RISC微處理器，數(shù)據(jù)吞吐高達(dá)1MIPS/MHz，可以減緩功耗和處理速度之間的矛盾。

蓄電池充放電電壓監(jiān)控

控制器可以實(shí)現(xiàn)對(duì)蓄電池單節(jié)電壓,單組電池電壓，和蓄電池整體的電壓監(jiān)控，測(cè)量數(shù)據(jù)采用RS485方式傳輸?shù)讲杉O(shè)備。

蓄電池電流監(jiān)控

通過(guò)互感器對(duì)充放電電流進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，測(cè)量數(shù)據(jù)采用RS485方式傳輸?shù)讲杉O(shè)備。

蓄電池內(nèi)阻、溫度的監(jiān)測(cè)

內(nèi)阻采用SOC在線監(jiān)測(cè)，對(duì)于蓄電池體的溫度采用實(shí)時(shí)監(jiān)控的方式，兩個(gè)數(shù)據(jù)都通過(guò)RS485方式傳輸?shù)讲杉O(shè)備。

顯示控制程序：顯示控制程序單元通過(guò)RS485通信總線對(duì)數(shù)據(jù)采集單元和內(nèi)阻下發(fā)遙測(cè)命令。顯示控制單元每隔15分鐘對(duì)每個(gè)數(shù)據(jù)單元下發(fā)采集命令，并將采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。

顯示數(shù)據(jù)程序：顯示控制單元不但對(duì)控制數(shù)據(jù)進(jìn)行采集和數(shù)據(jù)上傳，而且能夠?qū)τ陔姵剡\(yùn)行異常進(jìn)行實(shí)時(shí)報(bào)警和分析，并給出蓄電池的性能曲線。

蓄電池運(yùn)行出現(xiàn)異常時(shí)，本程序設(shè)有以下報(bào)警：蓄電池單體電壓過(guò)高/低報(bào)警、蓄電池組電壓過(guò)高/低報(bào)警，蓄電池電流過(guò)大報(bào)警、蓄電池內(nèi)阻異常報(bào)警、蓄電池容量不足報(bào)警等。

3 蓄電池監(jiān)控系統(tǒng)數(shù)據(jù)測(cè)試驗(yàn)證

設(shè)定蓄電池的標(biāo)準(zhǔn)電壓值，利用標(biāo)準(zhǔn)儀表和控制系統(tǒng)共同測(cè)量相關(guān)蓄電池參數(shù)，對(duì)比結(jié)果如表1～3所示。

表1 電壓測(cè)試數(shù)據(jù)

表2 電流測(cè)試數(shù)據(jù)

表3 內(nèi)阻測(cè)試數(shù)據(jù)

以上測(cè)量結(jié)果說(shuō)明，蓄電池的測(cè)量參數(shù)誤差均在5%之內(nèi)，均已達(dá)到預(yù)先的測(cè)量精度。

4 充放電試驗(yàn)

將模擬電源斷開(kāi)，變流器交流側(cè)斷路器閉合后進(jìn)行蓄電池充放電試驗(yàn)，蓄電池和電網(wǎng)的能量相互交換，本次試驗(yàn)蓄電池側(cè)DC/DC變換器采用電流控制方式，給定電流指令，通過(guò)反饋?zhàn)霾詈蠼?jīng)PI調(diào)節(jié)器得到占空比，從而控制雙向DC/DC電路的充放電電流，充放電試驗(yàn)波形如圖2所示。

圖2 充放電試驗(yàn)波形

蓄電池容量為96Ah，蓄電池的充電指令為30A,放電指令為40A。蓄電池充電時(shí)，三相PWM整流器工作在整流狀態(tài)，直流側(cè)充電電流穩(wěn)定在30A，蓄電池放電時(shí)，三相PWM整流器工作在逆變狀態(tài)，直流側(cè)放電電流穩(wěn)定在40A。

5 結(jié)語(yǔ)

隨著蓄電池在電力，通信等領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，蓄電池應(yīng)用的合理性和管理的智能化成為廣泛關(guān)注的問(wèn)題，尤其是蓄電池內(nèi)阻以及內(nèi)部容量的快速計(jì)算已經(jīng)成為研究熱點(diǎn)。本文研究的這套系統(tǒng)主要采集蓄電池電壓、電流、溫度、內(nèi)阻等重要參數(shù)，對(duì)蓄電池的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，同時(shí)通過(guò)開(kāi)關(guān)器件的控制進(jìn)行電池充放電控制。測(cè)量和充放電對(duì)比試驗(yàn)結(jié)果證明，本文所提出的大容量蓄電池控制系統(tǒng)的正確性。

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Development of Large Capacity Battery Control System

WUBi,XUAo-ran,YANEr-kang,CHENGChong

(Shenyang Institute of Engineering,Shengyang,110136)

At present,the battery monitors (BMS) are mainly aiming at those batteries with small and medium capacity.With the development of the electronic switch technology and smart micro-grid technology,researching and developing the control system of batteries with large capacity for energy storage devices have become a problem demanding prompt solutions. This paper presents the control system of batteries with large capacity,which can also increase the safety,service life and service efficiency of batteries,and at the same time reduce the cost. The battery control system designed in this paper has the following functions:(1) Data acquisition for the battery management system;(2) functions of battery management system, having conducted the charging and discharging tests for battery grids, and verified the correctness of the system;(3) working principles,portfolio effects and merits and demerits of the battery management system.

battery management system；battery equalization；energy storage device

沈陽(yáng)工程學(xué)院大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項(xiàng)目； 電力學(xué)院大學(xué)生創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)室

1004-289X(2014)02-0012-03

TM912

B

2014-03-10

吳比，男，主要研究方向新能源技術(shù)； 許傲然，男，沈陽(yáng)工程學(xué)院電力學(xué)院講師主要研究方向新能源技術(shù)； 閆爾康，男，沈陽(yáng)工程學(xué)院電力學(xué)院學(xué)生主要研究方向新能源技術(shù)； 程翀，女，沈陽(yáng)工程學(xué)院電力學(xué)院學(xué)生主要研究方向新能源技術(shù)。