磷酸鐵鋰儲(chǔ)能電池管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)

宋春寧，童廣浙，林小峰

(廣西大學(xué)電氣工程學(xué)院，廣西南寧530004)

磷酸鐵鋰儲(chǔ)能電池管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)

宋春寧，童廣浙，林小峰

(廣西大學(xué)電氣工程學(xué)院，廣西南寧530004)

結(jié)合儲(chǔ)能電池的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了一套基于PC104和飛思卡爾MC9S12單片機(jī)的電池管理系統(tǒng)。提出了電池管理系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)方案，給出了具體的硬件設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)。實(shí)現(xiàn)對(duì)電池電壓、電流和溫度的監(jiān)控，CAN總線和RS232串口通信的設(shè)計(jì)和電池荷電狀態(tài)(SOC)的估計(jì)。

MC9S12；儲(chǔ)能；電池管理系統(tǒng)；CAN通信

近年來(lái)，隨著傳統(tǒng)能源的枯竭和環(huán)境保護(hù)的要求，全球新能源正加速發(fā)展。2011年，全球風(fēng)電、光伏的裝機(jī)容量已分別達(dá)到238和28 GW。根據(jù)發(fā)展預(yù)測(cè)，到2020年，全球風(fēng)電、光伏將分別達(dá)到1 260和200 GW[1]。但是由于受到氣候條件變化等的影響，風(fēng)電、光伏等新能源發(fā)電表現(xiàn)出波動(dòng)性、間歇性、隨機(jī)性等特點(diǎn)，對(duì)接入電網(wǎng)的穩(wěn)定運(yùn)行造成極大影響[2]。應(yīng)用電池儲(chǔ)能技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)削峰填谷，平衡電力負(fù)荷，提高供電可靠性，改善電能質(zhì)量，很大程度克服了新能源發(fā)電的缺點(diǎn)[3]。

在儲(chǔ)能電站中，磷酸鋰鐵電池儲(chǔ)能電站具有占地面積小、效率高、轉(zhuǎn)換快、安全可靠、運(yùn)行靈活、環(huán)境友好、維護(hù)簡(jiǎn)單、建設(shè)工期短等特點(diǎn)[4]。隨著磷酸鐵鋰電池成本的降低，磷酸鋰鐵電池儲(chǔ)能電站必將成為儲(chǔ)能技術(shù)的熱點(diǎn)和重點(diǎn)。研究?jī)?chǔ)能電池的電池管理系統(tǒng)(BMS)是實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)能技術(shù)的基礎(chǔ)和關(guān)鍵。它能延長(zhǎng)儲(chǔ)能電池的使用壽命，降低使用成本，提高使用效率和使用安全，并能記錄和查詢使用數(shù)據(jù)。

1 總體設(shè)計(jì)方案

由于儲(chǔ)能電池?cái)?shù)量龐大，為了使用安全和效率，本設(shè)計(jì)采用了以12個(gè)180 Ah單體電池串聯(lián)為一組的成組模塊化技術(shù)。相應(yīng)的儲(chǔ)能電池管理系統(tǒng)分為兩級(jí)，總電池管理系統(tǒng)檢測(cè)電池組的總電壓、電流數(shù)據(jù)，接收子系統(tǒng)的數(shù)據(jù)并通過以太網(wǎng)和串口分別在監(jiān)控主機(jī)和工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)人機(jī)界面上顯示所有電池的參數(shù)，估計(jì)電池組的荷電狀態(tài) (SOC)，并與電力轉(zhuǎn)換系統(tǒng)(PCS)實(shí)現(xiàn)互聯(lián)，負(fù)責(zé)接入電網(wǎng)。

總電池管理系統(tǒng)采用PC104工控主板結(jié)構(gòu)，PC104系統(tǒng)采用了多個(gè)功能模塊板進(jìn)行互相堆棧的形式，占用空間非常小，功耗也比傳統(tǒng)PC低得多。PC104硬件資源非常豐富，使用PC104省去了AD轉(zhuǎn)換模塊、CAN通信、以太網(wǎng)、RS232通信等模塊的硬件電路設(shè)計(jì)，提高了系統(tǒng)設(shè)計(jì)的效率和可靠性，減少了設(shè)計(jì)的成本和復(fù)雜性。PC104比一些單片微處理器更適合于需要大量數(shù)據(jù)處理、高速傳輸網(wǎng)絡(luò)、人機(jī)界面顯示和高可靠性的場(chǎng)合。圖1為儲(chǔ)能電池管理系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖。

圖1 儲(chǔ)能電池管理系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

BMS子系統(tǒng)檢測(cè)單體電池的電壓、電流和溫度，估計(jì)單體電池的SOC，并把數(shù)據(jù)通過CAN總線發(fā)送到上級(jí)管理系統(tǒng)中進(jìn)行監(jiān)控界面顯示和進(jìn)一步數(shù)據(jù)處理。在BMS子系統(tǒng)中，采用Freescale的16 bit微處理器MC9S12XS128作為系統(tǒng)的微控制器 (MCU)。其片內(nèi)集成了所有設(shè)計(jì)時(shí)需要的模塊，包括SPI通信、AD采集、SCI通信、CAN總線等，不需要外部擴(kuò)展就可以實(shí)現(xiàn)BMS所有的功能。

BMS工作時(shí)，電壓采集芯片LTC6802-2采集電池組單體電池的電壓并通過SPI把數(shù)據(jù)傳輸給MCU，霍爾電流傳感器檢測(cè)電池組的工作電流通過MCU的A/D轉(zhuǎn)換模塊轉(zhuǎn)換成電流參數(shù)，溫度傳感器18B20通過單總線結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)多個(gè)級(jí)聯(lián)并由MCU的I/O口實(shí)現(xiàn)溫度的轉(zhuǎn)換和讀取。MCU通過實(shí)時(shí)的電壓、電流參數(shù)估計(jì)電池的SOC，通過RS232串口把數(shù)據(jù)傳輸?shù)缴衔粰C(jī)，并把數(shù)據(jù)和上位機(jī)軟件系統(tǒng)上設(shè)置的上下限警報(bào)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比。當(dāng)達(dá)到警報(bào)值時(shí)，在上位機(jī)上顯示警報(bào)信息并使MCU通過控制電路控制實(shí)現(xiàn)電池組通斷等安全操作，在工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)可以安裝觸摸液晶顯示屏實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)時(shí)監(jiān)控。MCU通過CAN總線接口實(shí)現(xiàn)多個(gè)子系統(tǒng)和總系統(tǒng)的互聯(lián)。圖2為BMS子系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案框架圖。

圖2 BMS子系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案框架圖

2 硬件電路的設(shè)計(jì)

2.1 電壓采集

每片LTC6802-2可以同時(shí)測(cè)量12個(gè)鋰電池的電壓(最高電壓不超過60 V)，是一個(gè)完整的帶12位數(shù)模轉(zhuǎn)換、精確參考電壓、高壓多路輸入和SPI接口的電池電壓檢測(cè)芯片。每片LTC6802-2自帶4位地址位，可以擴(kuò)展到最多16片芯片，特別適合大量?jī)?chǔ)能電池的檢測(cè)。多個(gè)芯片連接時(shí)，它們能同時(shí)工作保證所有電池在13 ms內(nèi)得到測(cè)量。圖3為第一片LTC6802-2電路連接示意圖。

2.2 電流采集

相對(duì)于電壓、溫度其他物理量，電流監(jiān)測(cè)具有以下特點(diǎn)：其一，電流的采樣通道少。儲(chǔ)能電池往往串聯(lián)使用，各電池的工作電流相同，只需對(duì)總電流進(jìn)行監(jiān)測(cè)。其二，電流的采樣頻率高。電流的采樣頻率對(duì)SOC的估計(jì)精度和系統(tǒng)的安全性都有重要的影響，因此應(yīng)保證電流的高采樣頻率。

圖3 第一片LTC6802-2電路連接示意圖

由于采用分流器測(cè)電流存在熱損耗和隔離的問題[5]，本設(shè)計(jì)采用基于霍爾傳感器的電流監(jiān)測(cè)?；魻杺鞲衅骷闪朔糯箅娐罚恍柘蚍糯箅娐饭╇娋涂梢跃_地采集電流。霍爾電流傳感器輸出電壓-5～5 V，精度為±0.5%，使用MCU的12位A/D轉(zhuǎn)換模塊進(jìn)行實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)換。

2.3 溫度采集

在對(duì)電池的SOC進(jìn)行估計(jì)時(shí)，必須考慮溫度的影響，因?yàn)樵诓煌臏囟认?，電池放出的電荷是不同的。溫度高時(shí)，電池電化學(xué)反應(yīng)速率增加，釋放的能量也相應(yīng)增加。但是溫度過高，會(huì)導(dǎo)致電池膨脹，外殼破裂，發(fā)生漏液，嚴(yán)重時(shí)導(dǎo)致燃燒并爆炸。溫度過低，電解液可能凍結(jié)，電化學(xué)反應(yīng)降低，電池性能嚴(yán)重下降[6]。BMS中，對(duì)單體電池、環(huán)境溫度和電池箱溫度進(jìn)行溫度監(jiān)測(cè)，溫度過高時(shí)采用并行風(fēng)冷系統(tǒng)進(jìn)行降溫，達(dá)到警戒值時(shí)通過控制電路直接斷開充放電回路開關(guān)并報(bào)警。溫度過低時(shí)，采用暖風(fēng)機(jī)或提高室溫等方式溫和升溫，保證電池工作在適合溫度之間，這對(duì)SOC的評(píng)算和電池的安全保護(hù)都非常重要。

溫度檢測(cè)的方案主要有熱敏電阻方式、18B20方式、專用芯片如DS2782方式等?？紤]到成本、精度、設(shè)計(jì)難度等，本設(shè)計(jì)采用18B20。18B20的檢測(cè)溫度范圍為-55～+125℃，最高可達(dá)12位分辨率，12位分辨率時(shí)的最大工作周期為750 ms，精度為±0.5℃，采用全數(shù)字溫度輸出和先進(jìn)的單總線數(shù)據(jù)通信。應(yīng)用單總線方式級(jí)聯(lián)多個(gè)傳感器，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)多點(diǎn)溫度同時(shí)采集。

2.4 CAN通信

CAN通信是一種技術(shù)先進(jìn)、成本低廉、安全可靠、功能完善的網(wǎng)絡(luò)通信控制方式。CAN總線是唯一成為國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)的現(xiàn)場(chǎng)總線，也是國(guó)際上應(yīng)用最廣泛的現(xiàn)場(chǎng)總線之一[7]。

將當(dāng)前大修凝汽器磁性過濾器沉積物的重量與歷次進(jìn)行比對(duì)，如圖4所示。圖4中橫坐標(biāo)為機(jī)組大修周期，縱坐標(biāo)為磁性過濾器吸附總量和日均吸附量。圖4表明，隨著機(jī)組的不斷運(yùn)行，磁性過濾器吸附量總量和日均吸附量在整體上呈現(xiàn)不斷減少的趨勢(shì)，經(jīng)計(jì)算，第11次大修的吸附量總量和日均吸附量分別為第2次大修時(shí)吸附量的0.35倍和0.26倍，這表明在現(xiàn)行的水化學(xué)工況下，二回路腐蝕產(chǎn)物不斷減小。

本設(shè)計(jì)中采用MCU自帶的CAN控制器，CAN收發(fā)器為Philips公司的TJA1050。為了加強(qiáng)設(shè)計(jì)的通用性和可擴(kuò)展性，CAN協(xié)議采用國(guó)內(nèi)機(jī)械標(biāo)準(zhǔn)JB/T 11138-2011鋰離子蓄電池總成接口和通信協(xié)議。圖4為單體鋰電池狀態(tài)報(bào)文，CID為報(bào)文標(biāo)識(shí)符，CHAR-MODE和BMS-MODE為電池類型、工作狀態(tài)等電池狀態(tài)標(biāo)識(shí)碼。

圖4 單體鋰電池狀態(tài)報(bào)文

CAN模塊的設(shè)計(jì)包括初始化、發(fā)收數(shù)據(jù)、檢錯(cuò)校驗(yàn)。CAN初始化完成后進(jìn)入了工作模式，將電壓、溫度等數(shù)據(jù)按照?qǐng)?bào)文格式寫入CAN發(fā)送緩沖器中等待發(fā)送，發(fā)送的數(shù)據(jù)幀包含幀起始、仲裁場(chǎng)、控制場(chǎng)、數(shù)據(jù)場(chǎng)、CRC場(chǎng)、應(yīng)答場(chǎng)和幀結(jié)尾，得到發(fā)送請(qǐng)求后把數(shù)據(jù)發(fā)送出去。CAN模塊的數(shù)據(jù)接收環(huán)節(jié)也要同樣初始化，設(shè)置相同的CAN總線頻率，通過標(biāo)識(shí)碼和校驗(yàn)碼的識(shí)別后決定是否接收數(shù)據(jù)，最后按優(yōu)先級(jí)順序完成接收數(shù)據(jù)。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

微處理器上的程序設(shè)計(jì)使用飛思卡爾CodeWarrior編譯環(huán)境。微處理器上主要的程序?yàn)橛布跏蓟?shù)據(jù)采集、通信配置、故障警報(bào)、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)等，根據(jù)不同的功能分成不同的模塊，提高程序的可讀性和效率。圖5為微處理器軟件設(shè)計(jì)的流程圖。

圖5 微處理器軟件設(shè)計(jì)的流程

上位機(jī)使用VC6.0進(jìn)行監(jiān)控界面的設(shè)計(jì)和開發(fā)，開發(fā)界面使用MFC(Microsoft Foundation Classes)，顯示電池所有的參數(shù)。

監(jiān)控人機(jī)界面采用Kinco公司的EV5000系列工業(yè)嵌入式觸摸屏人機(jī)界面，使用eView組態(tài)編輯軟件開發(fā)界面。人機(jī)界面的主要功能有實(shí)時(shí)顯示監(jiān)控電池的電壓、電流和溫度參數(shù)、顯示電壓變化曲線、顯示電池狀態(tài)、設(shè)置和顯示警報(bào)等。人機(jī)界面主頁(yè)面如圖6所示。

圖6 液晶監(jiān)控顯示界面

4 SOC電量估算

SOC值的大小直接反映了電池所處的狀態(tài)。為了解決一般SOC估算不能準(zhǔn)確計(jì)算的問題，本設(shè)計(jì)采用基于安時(shí)法配合開路電壓法進(jìn)行SOC估算，這兩種算法的配合可以有效控制SOC計(jì)算誤差，保證電池的工作效率，提高使用壽命。

安時(shí)法是最常用的SOC估計(jì)方法。如果充放電起始狀態(tài)為SOC0，當(dāng)前狀態(tài)的SOC為：為額定容量，為電池電流，η為充放電效率。在安時(shí)法應(yīng)用中如果電流測(cè)量不準(zhǔn)，將造成SOC計(jì)算誤差逐漸積累，最終導(dǎo)致誤差越來(lái)越大，電池充放電效率對(duì)測(cè)量誤差也有影響。

開路電壓法是利用開路電壓和SOC成一定的關(guān)系來(lái)估算SOC。磷酸鐵鋰電池的開路電壓與SOC關(guān)系的線性度在充放電初期和末期比較好，其它充放電期間的線性度較小，難以準(zhǔn)確估計(jì)SOC。這里采用安時(shí)法結(jié)合開路電壓法，在充放電初期和末期采用開路電壓法矯正安時(shí)法的積累誤差，在充放電中期主要采用計(jì)量準(zhǔn)確的安時(shí)法，可以得到較為理想的精度。

5 結(jié)論

該文設(shè)計(jì)開發(fā)了磷酸鐵鋰儲(chǔ)能電池管理系統(tǒng)，通過實(shí)際電池的測(cè)試和實(shí)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)了實(shí)時(shí)檢測(cè)各種運(yùn)行參數(shù)、數(shù)據(jù)傳輸、故障診斷和報(bào)警等功能，為儲(chǔ)能電池的應(yīng)用提供了基礎(chǔ)。

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Design of LiFePO4storage battery management system

Combined with the characteristics of energy storage battery,a battery management system base on PC104 and MC9S12 freescale microcontroller was designed.An overall design scheme of the battery management system was put forward,and a specific hardware design and software design were given.The monitoring of battery voltage, current and temperature were realized.The design of CAN bus and RS232 communication and the estimation of the state of charge were achieved.

MC9S12;energy storage;battery management system;CAN communication

TM 911

A

1002-087 X(2015)10-2096-03

2015-03-18

宋春寧(1969—)，男，廣西省人，碩士，副教授，主要研究方向?yàn)橹悄芸刂婆c電力電子技術(shù)。