一種鋁空氣電池雙路冗余并聯(lián)式管理系統(tǒng)研究

費(fèi)亞龍，馮 偉，潘協(xié)輝

(中船重工集團(tuán)公司第722 研究所，湖北武漢432205)

鋁空氣電池作為一種新的化學(xué)體系電池，以其能量密度高、價(jià)格低廉、安全性高、溫度適配范圍寬和制造工藝簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)受到關(guān)注。在城市動(dòng)力電源、工廠后備動(dòng)力源和便攜式電源等領(lǐng)域得到了應(yīng)用[1]。鋁空氣電池作為應(yīng)急和后備輔助電源，無論民用還是軍用，都具有巨大的發(fā)展?jié)摿Α?/p>

鋁空氣電池在持續(xù)大電流放電時(shí)，容易出現(xiàn)電解液濃度降低和溫度過高、析出氫氣濃度過高等問題。這些現(xiàn)象將嚴(yán)重影響電池能量轉(zhuǎn)換效率，縮短電池使用壽命，甚至可能引發(fā)電池爆炸[2]。對(duì)電池組進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控和安全管理，對(duì)鋁空氣電池的應(yīng)用具有重要作用。

目前大多數(shù)鋁空氣電池管理系統(tǒng)的功能較為簡(jiǎn)單，僅測(cè)量電壓和電流參數(shù)，將獲得的數(shù)據(jù)用于電池體系的基礎(chǔ)理論研究。工程應(yīng)用方面，沒有一套完備的系統(tǒng)管理方案[3]。本文以兩路并聯(lián)式電堆為研究對(duì)象，10 kW 功率等級(jí)持續(xù)輸出，通過雙路并聯(lián)式管理方案對(duì)鋁空氣電池進(jìn)行管理。兩套BMS 相互獨(dú)立互為冗余熱備份。當(dāng)一路BMS 出現(xiàn)故障，另一路仍正常運(yùn)行。

1 鋁空氣電池總體結(jié)構(gòu)

鋁空氣電池主要由電堆系統(tǒng)和電解液循環(huán)輔助系統(tǒng)構(gòu)成。電堆由電極、隔膜、電池外殼等構(gòu)成；電解液循環(huán)輔助系統(tǒng)由液壓循環(huán)泵、電解液輸送管路、電解液池等構(gòu)成。另外，電池系統(tǒng)中還包括氧燭控制器、氫氣傳感器、消氫器、散熱器、溫度傳感器、電導(dǎo)檢測(cè)儀、電壓霍爾傳感器、電流霍爾傳感器和DC/DC 變換器等，用于系統(tǒng)各種參數(shù)的檢測(cè)。鋁空氣電池系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖見圖1。電池為兩組電堆并聯(lián)，每組電堆由44 塊鋁板組成，工作電壓范圍28～72 V，可實(shí)現(xiàn)200 A 電流輸出。表1 為單組鋁空氣電池的基本性能指標(biāo)。

表1 單組鋁空氣電堆基本性能指標(biāo)

圖1 鋁空氣電池系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2 雙路冗余式BMS

2.1 BMS 電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

雙路冗余式管理系統(tǒng)采用兩路并聯(lián)式管理策略，對(duì)鋁空氣電堆進(jìn)行監(jiān)測(cè)與控制，其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)見圖2。它可完成電堆電壓與電流檢測(cè)，電解液濃度與溫度檢測(cè)，氧氣濃度與剩余氧燭數(shù)檢測(cè)，氫氣濃度檢測(cè)，DC/DC 變換器和繼電器狀態(tài)的檢測(cè)。

圖2 雙路冗余并聯(lián)式BMS拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖

根據(jù)檢測(cè)結(jié)果完成電堆電量計(jì)算，外圍監(jiān)測(cè)單元故障等級(jí)判斷，將各種參數(shù)實(shí)時(shí)上傳上位機(jī)系統(tǒng)，接受上位機(jī)控制指令，實(shí)現(xiàn)對(duì)電堆運(yùn)行控制。

鋁空氣電堆的電池管理系統(tǒng)通過一路RS485 總線和兩路CAN 總線與外圍模塊進(jìn)行通信。RS485 總線實(shí)現(xiàn)與電導(dǎo)檢測(cè)儀、氧燭控制器和2 路氫氣傳感器的通信與控制；CAN 總線分兩路，一路用于BMS 與上位機(jī)通信，實(shí)現(xiàn)電堆、外圍檢測(cè)設(shè)備的狀態(tài)上報(bào)，同時(shí)接收上位機(jī)下發(fā)的控制指令；另一路用于控制3 路DC/DC 變換器并接收其上報(bào)的狀態(tài)信息，根據(jù)負(fù)載母線的電壓等級(jí)和電能品質(zhì)需求，實(shí)現(xiàn)三路DC/DC 變換器均流（單模塊額定輸出功率3.5 kW）。雙路冗余式拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)在于一路BMS 出現(xiàn)故障時(shí)，另一路作為熱備份仍能保障系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行。

2.2 冗余式BMS 軟件設(shè)計(jì)

BMS 的軟件流程見圖3。系統(tǒng)工作前期由鋰電池供電，并讀取EEPROM 中存儲(chǔ)的相關(guān)參數(shù)，比如系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)間、上電次數(shù)、版本號(hào)、設(shè)備ID、初始SOC值等。當(dāng)系統(tǒng)自檢完成，接收到上位機(jī)的開機(jī)運(yùn)行指令后，BMS 控制液壓泵的繼電器吸合，電堆開始正常放電，此后鋁空氣電池系統(tǒng)和外圍檢測(cè)單元由電堆供電。電堆在工作過程中會(huì)產(chǎn)生大量氫氣，為保證放電安全，必須同時(shí)啟動(dòng)消氫器，用以分離氫氣和水氣。

圖3 冗余式電池管理系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)流程圖

采集外圍檢測(cè)單元信號(hào)及電堆運(yùn)行參數(shù)時(shí)，BMS 要實(shí)時(shí)分析并執(zhí)行相應(yīng)控制操作：(1)當(dāng)氫氣濃度高于3.5%時(shí)，啟動(dòng)氫氣濃度過高報(bào)警；當(dāng)氧氣濃度低于13%時(shí)，釋放氧燭控制器中存儲(chǔ)的剩余氧燭，增加反應(yīng)堆氧氣濃度。

溫度是影響鋁空氣電池化學(xué)反應(yīng)速度的重要參數(shù)，對(duì)電池進(jìn)行熱管理，才可能實(shí)現(xiàn)電池最佳放電功率[4]。熱管理控制有模糊控制、PID 控制和定溫開關(guān)控制。從設(shè)計(jì)復(fù)雜度和控制效果而言，選擇傳統(tǒng)定溫開關(guān)控制策略是可取的。當(dāng)電解液溫度高于50 ℃時(shí)，啟動(dòng)散熱器。電池荷電狀態(tài)(SOC)作為表征電池剩余電量狀態(tài)的重要參數(shù)，在運(yùn)行過程中每隔1 s對(duì)電池SOC進(jìn)行估計(jì)，當(dāng)SOC變化值大于0.5%時(shí)，執(zhí)行一次參數(shù)存儲(chǔ)。運(yùn)行過程中BMS 接收上位機(jī)下發(fā)的DC/DC 變換器控制指令，完成對(duì)3 路DC/DC 的控制。

3 冗余式BMS 關(guān)鍵技術(shù)研究

3.1 電流在線檢測(cè)

電流反映電堆釋放能量的速率，電流采樣精確度對(duì)剩余電量估計(jì)和電堆運(yùn)行狀態(tài)的判斷具有重要作用。電流采樣方法有串聯(lián)電阻法和霍爾電流傳感器法。電阻法溫漂特性明顯，對(duì)電阻阻值精度要求高，長期應(yīng)用，檢測(cè)精度會(huì)降低；為避免溫漂對(duì)采樣精度影響，本系統(tǒng)采用霍爾電流傳感器與運(yùn)算放大器相結(jié)合的采樣電路，實(shí)現(xiàn)高精度實(shí)時(shí)檢測(cè)。電流在線檢測(cè)電路原理見圖4。

圖4 電流在線檢測(cè)電路

由于主芯片自帶的AD 采樣精度并不理想，為保證檢測(cè)的高精度，本系統(tǒng)選用具有12 位采樣精度的TLV2542 進(jìn)行電流采樣，由X60008ES8 提供4.096 V 的高精度參考電壓，選擇CHB-125P 霍爾傳感器將原邊側(cè)電流以1 000∶1 轉(zhuǎn)換后，再由高精度電阻R38 轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)，最后通過運(yùn)放LM358 和二階濾波實(shí)現(xiàn)信號(hào)隔離與濾波處理。

式中：Iin為電堆的工作電流；Iout為TLV2542 模數(shù)轉(zhuǎn)換后的數(shù)字量。小電流情況下霍爾傳感器線性較差，實(shí)際應(yīng)用中要通過線性擬合對(duì)小電流的采樣值進(jìn)行校準(zhǔn)。

3.2 剩余電量估計(jì)

剩余電量反映鋁板和電解液的消耗量與剩余量。估計(jì)剩余電量方法有開路電壓法、內(nèi)阻法、安時(shí)積分法和神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)法[5]。上述方法都是通過消除不可控因素以提高估計(jì)精度。

鋁空氣電池僅存在放電環(huán)節(jié)，且自放電率小。鋁空氣系統(tǒng)通常包含鋁板富余或電解液富余兩種情況[6]，當(dāng)鋁板富余時(shí)需對(duì)堿液pH 值進(jìn)行測(cè)量，常見的玻璃電極法僅用于靜態(tài)測(cè)量，不適用工作帶電狀態(tài)的檢測(cè)，因此從工程應(yīng)用、軟件可實(shí)現(xiàn)化和估計(jì)精度考慮，利用安時(shí)積分法對(duì)電解液富余情況下的鋁空氣電堆剩余電量進(jìn)行估計(jì)。

式中：Soc為電池剩余電量；Qc為電池總?cè)萘?；Q1為電池使用電量；Iin為放電電流，即電堆工作電流；t為采樣時(shí)間。

3.3 上位機(jī)實(shí)時(shí)監(jiān)控

上位機(jī)可實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互，實(shí)現(xiàn)反應(yīng)堆的啟?？刂啤１鞠到y(tǒng)利用LABVIEW 平臺(tái)建立的數(shù)據(jù)庫對(duì)BMS 上報(bào)的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理與保存。上位機(jī)可根據(jù)用戶要求發(fā)送相應(yīng)的控制指令。上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)見圖5。監(jiān)控界面主要分為DC/DC 變換器參數(shù)、故障狀態(tài)參數(shù)、外圍設(shè)備參數(shù)和電堆運(yùn)行參數(shù)等四部分。

圖5 上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)圖

4 冗余式BMS 關(guān)鍵技術(shù)

為驗(yàn)證鋁空氣電堆的電流檢測(cè)與荷電狀態(tài)估計(jì)的精度，通過調(diào)節(jié)可變負(fù)載控制電堆的輸出電流，利用上位機(jī)繪制電堆電流和電量變化曲線。圖6 為鋁空氣電池不同放電電流時(shí)的曲線圖。

圖6 鋁空氣電池電流隨時(shí)間變化曲線

由于電堆制造工藝的差異性，放電過程中1#電堆的電流略小于2#電堆，且電流差約為2 A 左右。實(shí)驗(yàn)中利用DS6104示波器檢測(cè)1#電堆在不同電流段的某一電流值I1和BMS 采集的放電電流I2，其對(duì)比情況如表2所示，可知在該工作模式下電流檢測(cè)精度小于1.5%，且當(dāng)電流接近額定電流值時(shí)采樣精度較高，能滿足系統(tǒng)對(duì)電流檢測(cè)的精度要求。鋁空氣電池電量變化曲線見圖7。

表2 1#電堆電流檢測(cè)參數(shù)

圖7 鋁空氣電池電量變化曲線

從圖7 可知，在不同電流段內(nèi)，電池剩余電量的變化量有所不同，電流越大，SOC值變化越快，其中電流55 A 左右時(shí)的SOC變化量最快，符合安時(shí)積分法對(duì)電池荷電狀態(tài)的估計(jì)趨勢(shì)。在全生命周期中1#電堆的采樣電流比2#電堆的電流小，積分過程中的累積效應(yīng)導(dǎo)致1#電堆的剩余電量比2#電堆的剩余電量大，且差值越來越明顯。

為驗(yàn)證雙路冗余BMS 方案的可行性，在系統(tǒng)正常工作情況下，切斷其中一路電池管理系統(tǒng)的電源，另一路管理系統(tǒng)仍能保證電堆與外圍設(shè)備的正常運(yùn)行。

5 結(jié)論

本文提出的雙路冗余并聯(lián)式管理方案，能實(shí)現(xiàn)對(duì)鋁空氣電池的電壓、電流的在線檢測(cè)，完成剩余電量估計(jì)和電解液熱管理。上位機(jī)同時(shí)具備實(shí)時(shí)監(jiān)控、故障報(bào)警等功能。通過在線掉電測(cè)試驗(yàn)證了冗余方案的有效性。