基于STM32單片機(jī)并網(wǎng)儲(chǔ)能電池恒溫控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

姚明書(shū) 許曉峰 鞠振河

摘 要：近年來(lái)，新能源發(fā)電廣泛并網(wǎng)，儲(chǔ)能技術(shù)對(duì)于提高其電能質(zhì)量與可靠性具有重要意義，進(jìn)而成為電力系統(tǒng)的研究熱點(diǎn)之一。蓄電池組作為儲(chǔ)能系統(tǒng)的主要設(shè)備，其壽命，容量和安全性均與溫度緊密相關(guān)。本文采用STM32單片機(jī)對(duì)并網(wǎng)蓄電池組的溫度進(jìn)行自動(dòng)控制：溫度采集，設(shè)定值設(shè)定，越值報(bào)警，制冷風(fēng)扇與紅外加熱儀的控制。用戶(hù)通過(guò)人機(jī)交互界面DWIN-LCD工業(yè)串口屏界面設(shè)定閾值數(shù)值，預(yù)調(diào)整溫度等數(shù)值，所有數(shù)據(jù)自動(dòng)上傳至上位機(jī)，通訊速率達(dá)到9600bps，系統(tǒng)可及時(shí)動(dòng)作。

關(guān)鍵詞：儲(chǔ)能；STM32單片機(jī)；人機(jī)交互界面；溫度控制

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2018.24.109

0 引言

電池儲(chǔ)能系統(tǒng)在電力系統(tǒng)中廣泛應(yīng)用，因其快速的對(duì)接入點(diǎn)的有功功率和無(wú)功功率進(jìn)行調(diào)節(jié)，可用來(lái)提高電力系統(tǒng)的運(yùn)行穩(wěn)定性、提高供電質(zhì)量，當(dāng)其容量足夠大時(shí)，甚至可以發(fā)揮電力調(diào)峰的作用[1]。近些來(lái)，新能源并入電網(wǎng)，儲(chǔ)能技術(shù)平抑波形，提高電能可靠性與參與二次調(diào)頻的優(yōu)勢(shì)已經(jīng)初步體現(xiàn)。

作為儲(chǔ)能最核心的蓄電池組的作用更是不可忽視，其最佳工作溫度為15℃至25℃，溫度下降時(shí)，電池反應(yīng)速率降低，輸出功率也會(huì)下降；溫度上升時(shí)，雖然輸出功率會(huì)上升，但若溫度過(guò)高，則會(huì)破壞電池內(nèi)部化學(xué)平衡，導(dǎo)致材料的性能會(huì)退化和循環(huán)壽命縮短[2-3]。但是我國(guó)北方冬天遠(yuǎn)低于15℃，南方夏天遠(yuǎn)高于25℃因此恒溫控制系統(tǒng)對(duì)于維持蓄電池的使用壽命和輸出功率至關(guān)重要。

1 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 硬件需求列表

蓄電池金屬箱體1個(gè)；PLC模塊1塊；溫度傳感器1個(gè)；數(shù)碼管2個(gè)；紅外加熱儀2個(gè)（1、2加熱檔各一個(gè)）；制冷風(fēng)機(jī)2個(gè)（1、2加熱檔各一個(gè)）；蜂鳴器1個(gè)。

1.2 硬件結(jié)合方式

硬件主體為蓄電池金屬箱體。

在箱體內(nèi)部將蓄電池架空安置，與紅外加熱儀及風(fēng)機(jī)保持一定距離。

在箱體底部?jī)?nèi)測(cè)安裝紅外加熱儀。

在箱體頂部外側(cè)安裝制冷風(fēng)扇，采用分離裝置，將風(fēng)扇的葉片對(duì)準(zhǔn)分離裝置，以便冷風(fēng)流通。本設(shè)計(jì)的重點(diǎn)為當(dāng)制冷風(fēng)扇產(chǎn)生火花時(shí)，分離裝置避免了蓄電池的明火引燃。蓄電池在充電過(guò)程中兩極產(chǎn)生H2和O2，當(dāng)H2濃度達(dá)到4%至76%時(shí)引起易燃。

溫度傳感器設(shè)置在電池架位置予以固定；兩個(gè)數(shù)碼顯示管和蜂鳴器安裝于蓄電池金屬箱體外側(cè)。

STM32 雖然內(nèi)部自帶了溫度傳感器，但是因?yàn)樾酒瑴厣^大等問(wèn)題，與實(shí)際溫度差別較大，所以，本產(chǎn)品通過(guò) STM32 來(lái)讀取外部數(shù)字溫度傳感器的溫度，來(lái)得到較為準(zhǔn)確的環(huán)境溫度，通過(guò)它來(lái)實(shí)現(xiàn) STM32 和外部溫度傳感器（DS18B20）的通信，并把從溫度傳感器得到的溫度顯示在 LCD 屏上。DS18B20 是由 DALLAS 半導(dǎo)體公司推出的一種的“一線總線”接口的溫度傳感器。與傳統(tǒng)的熱敏電阻等測(cè)溫元件相比，它是一種新型的體積小、適用電壓寬、與微處理器接口簡(jiǎn)單的數(shù)字化溫度傳感器。一線總線結(jié)構(gòu)具有簡(jiǎn)潔且經(jīng)濟(jì)的特點(diǎn)，可使用戶(hù)輕松地組建傳感器網(wǎng)絡(luò)，從而為測(cè)量系統(tǒng)的構(gòu)建引入全新概念，測(cè)量溫度范圍為-55～+125℃ ，精度為±0.5℃?，F(xiàn)場(chǎng)溫度直接以“一線總線”的數(shù)字方式傳輸，大大提高了系統(tǒng)的抗干擾性。它能直接讀出被測(cè)溫度，并且可根據(jù)實(shí)際要求通過(guò)簡(jiǎn)單的編程實(shí)現(xiàn) 9～12 位的數(shù)字值讀數(shù)方式。它工作在 3～5.5 V 的電壓范圍，采用多種封裝形式，從而使系統(tǒng)設(shè)計(jì)靈活、方便，設(shè)定分辨率及用戶(hù)設(shè)定的報(bào)警溫度存儲(chǔ)在 EEPROM 中，掉電后依然保存。

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

2.1 運(yùn)行方式

根據(jù)以上并網(wǎng)蓄電池溫度控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)。

2.2 功能實(shí)現(xiàn)

（1）傳感器數(shù)據(jù)顯示。

（2）設(shè)定值設(shè)定，可以根據(jù)不同需求和情況對(duì)閾值參數(shù)進(jìn)行設(shè)

定，分為手動(dòng)控制和遠(yuǎn)程操控兩種操作方式。

（3）自動(dòng)制冷調(diào)節(jié)，單片機(jī)實(shí)時(shí)采集當(dāng)前溫度，當(dāng)溫度高于設(shè)定值時(shí)，單片機(jī)內(nèi)的算法會(huì)自動(dòng)對(duì)偏差值的大小進(jìn)行制冷模式的選擇：

溫度偏差5℃之內(nèi)，relay1打開(kāi)，啟動(dòng)1檔制冷風(fēng)扇，冷氣流動(dòng)較慢，可準(zhǔn)確地調(diào)節(jié)恢復(fù)箱內(nèi)溫度，實(shí)現(xiàn)“涓流控制”直至溫度回復(fù)到設(shè)定值，冷卻停止；

當(dāng)溫度偏差5℃至10℃，relay2打開(kāi)，啟動(dòng)2檔制冷風(fēng)扇，風(fēng)扇調(diào)制2檔，冷氣流動(dòng)較快，可較快的調(diào)節(jié)箱內(nèi)溫度，當(dāng)溫度偏差減至5℃內(nèi)時(shí)，風(fēng)扇自動(dòng)轉(zhuǎn)至1檔，直至溫度回復(fù)到設(shè)定值，冷卻過(guò)程停止；

當(dāng)溫度偏差10℃以上，relay1，relay2均打開(kāi)，同時(shí)啟動(dòng)2臺(tái)制冷風(fēng)扇，冷氣流動(dòng)快，當(dāng)偏差逐漸減少至（2），重復(fù)上述調(diào)節(jié)過(guò)程。

本次紫金橋仿真擬用20℃作為設(shè)定值。

（4）自動(dòng)加熱調(diào)節(jié)，過(guò)程與制冷調(diào)節(jié)相似，在此不進(jìn)行贅述。

（5）反饋調(diào)節(jié)，由于并網(wǎng)蓄電池的溫度傳感和調(diào)節(jié)實(shí)時(shí)進(jìn)行，只要實(shí)時(shí)溫度不等于設(shè)定值溫度，循環(huán)調(diào)節(jié)就會(huì)進(jìn)行PID調(diào)節(jié)，直至達(dá)到設(shè)定溫度。

（6）故障控制，為防止系統(tǒng)出現(xiàn)故障，加入越值報(bào)警功能，晶振時(shí)鐘會(huì)記錄系統(tǒng)動(dòng)作時(shí)間，若調(diào)整時(shí)間超過(guò)正常工作時(shí)間的1.8倍，系統(tǒng)仍未調(diào)整至最佳工作溫度，啟動(dòng)繼電保護(hù)狀態(tài)即關(guān)斷所有繼電器，蜂鳴器啟動(dòng)報(bào)警，提醒用戶(hù)進(jìn)行動(dòng)作。主要應(yīng)用在故障控制和應(yīng)急情況。并切換手/自動(dòng)切換模式，可作用于自動(dòng)模式下的溫度調(diào)節(jié)故障或機(jī)組故障引起的參數(shù)突變的應(yīng)急等。

3 結(jié)論

本文主要針對(duì)并網(wǎng)蓄電池不同等級(jí)的加熱或制冷進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)。

此外本系統(tǒng)具有如下優(yōu)越性：

（1）該裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，操作便捷，蓄電池溫度控制箱自主實(shí)現(xiàn)溫度調(diào)節(jié)，確保了蓄電池的安全穩(wěn)定運(yùn)行。

（2）該裝置將實(shí)時(shí)狀態(tài)就地及在上位機(jī)上同時(shí)顯示，集中調(diào)度，控制。

（3）該裝置可就不同地域變化參數(shù)，可兼容諸多功能，且可加入至現(xiàn)有的并網(wǎng)程序中。

（4）該裝置采用屏幕內(nèi)嵌入柜布局，在使用透明柜門(mén)保證操作員觀察地前提下，使得LCD屏幕處于恒溫環(huán)境內(nèi)，并避免了室外環(huán)境對(duì)屏幕的損毀，有效地長(zhǎng)期維持LCD屏的觸控靈敏度并延長(zhǎng)屏幕使用壽命。

（5）具有較強(qiáng)的通用性，程序和硬件稍加改動(dòng)，即可應(yīng)用于其他恒溫控制場(chǎng)合，如高壓開(kāi)關(guān)柜等。

參考文獻(xiàn)：

[1]孫輝，吳紅斌.分布式發(fā)電系統(tǒng)中蓄電池的建模與并網(wǎng)特性仿真[C].中國(guó)高等學(xué)校電力系統(tǒng)及其自動(dòng)化專(zhuān)業(yè)學(xué)術(shù)年會(huì)，2009.

[2]陳貴峰.基于ARM9的蓄電池管理系統(tǒng)的研究[D].河北農(nóng)業(yè)大學(xué)， 2011.

[3]周俊成.電池管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究[D].哈爾濱工程大學(xué)，2015.

本論文基于遼寧省教育廳團(tuán)隊(duì)創(chuàng)新項(xiàng)目（LT2016015）及國(guó)際太陽(yáng)能十項(xiàng)全能競(jìng)賽（H18006）

作者簡(jiǎn)介：姚明書(shū)（1995-），女，遼寧撫順人，碩士研究生，主要研究方向：電力系統(tǒng)運(yùn)行、分析與控制。