大容量蓄電池控制系統的研發

吳比，許傲然，閆爾康，程羽中

(沈陽工程學院，遼寧 沈陽 110136)

大容量蓄電池控制系統的研發

吳比，許傲然，閆爾康，程羽中

(沈陽工程學院，遼寧 沈陽 110136)

蓄電池的監控器(BMS)主要針對中小容量蓄電池，隨著電子開關技術和智能微電網技術的發展，研發做為儲能設備的大容量蓄電池控制系統成為了亟待解決的問題。提出了針對大容量蓄電池的控制系統，并且可以提高電池的使用安全性，使用壽命，以及使用效率，同時降低成本。所設計的蓄電池控制系統具有以下功能：(1)蓄電池管理系統的數據采集；(2)蓄電池管理系統具備的功能，進行了蓄電池并網的充放電試驗，驗證了系統的正確性；(3)電池管理系統工作原理，均衡效果和優缺點。

電池管理系統；電池均衡；儲能設備

1 引言

蓄電池，即人們所說的二次電池，在充放電過程中，無論是使用悠久、廣泛的鉛酸電池，還是具有廣闊發展空間的鋰離子電池，最怕的就是過充電和過放電。一旦發生過充電或者過放電，電池就會發生損壞，使用容量降低，壽命剪短。在嚴重的情況下，會發生爆炸或者起火燃燒。特別是鋰離子電池，由于電池過充，過放電通常引起爆燃現象。

因此，蓄電池在使用過程中，應當引入電池的自我監控系統，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引起電池自身發生過充，過放電的現象。同時，蓄電池組中各個單體電池的制造和使用條件不同，其特性存在差異。即蓄電池的內阻、電壓、容量和自放電率，在不同充放電倍率、不同荷電狀態、不同的使用方式的條件下，是有差異的，如果在充電，放電過程中沒有得到有效控制，將導致電池容量和壽命的急劇下降。最終可能引起事故的發生。這是蓄電池使用中經常出現的問題。

因此，近幾十年來，國內外學者都致力于解決蓄電池自我監控系統中誤差所帶來的危害。開發出了各種各樣的電池自我管理系統(BMS)。針對大容量蓄電池的自我監控系統具有高低壓，高低溫，和過流短路等多項常規保護功能和儲備電量的測量功能。基于目前的研究狀況大容量蓄電池的控制管理系統屬于行業空白，本文提出了帶有太陽能充電系統的大容量蓄電池控制系統原理框圖如圖1所示，本系統可以利用通信傳感器技術實時顯示蓄電池的狀態，同時通過控制器控制蓄電池的充放電。本文提供充放電試驗的結果，驗證本文控制系統的正確性。

圖1 系統原理框圖

2 蓄電池管理系統組成

2.1 系統設計方案

電池由充電裝置、蓄電池組、調壓裝置、配電開關和相關控制、信號、保護、調節等單元組成。系統具備遙控監視功能。

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

遙測:遠程監測，包括充電模塊電壓、電流、蓄電池組電壓、電流、電池組及母線對地絕緣電阻。

遙控：遠程控制

設計思路：當輸出過載也即輸出電流超出設定值時，能夠自動切斷電源的輸出，實現電池的自身過載保護。對于這種過載或是短路發生在兩極之間時，此設計響應更快，并且在過載或短路解除前這種狀態持續可靠，而當短路或過載消失時，電池可實現自動恢復供電，不需要人為控制，這就是電池自我控制系統與常規的電池主要區別，在蓄電池內部正極串聯了控制系統。

2.2 控制器的功能

控制器芯片是整個系統的核心部分。主要是對于蓄電池狀態信號的采集、傳輸、處理，并通過蓄電池充放電的進行控制信號管理，系統采用ATmega16L,它通過單片機模式提供Flash、EEPROM和10位ADC的高效的8位RISC微處理器，數據吞吐高達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控

控制器可以實現對蓄電池單節電壓,單組電池電壓，和蓄電池整體的電壓監控，測量數據采用RS485方式傳輸到采集設備。

蓄電池電流監控

通過互感器對充放電電流進行實時監測，測量數據采用RS485方式傳輸到采集設備。

蓄電池內阻、溫度的監測

內阻采用SOC在線監測，對于蓄電池體的溫度采用實時監控的方式，兩個數據都通過RS485方式傳輸到采集設備。

顯示控制程序：顯示控制程序單元通過RS485通信總線對數據采集單元和內阻下發遙測命令。顯示控制單元每隔15分鐘對每個數據單元下發采集命令，并將采集的數據進行分析。

顯示數據程序：顯示控制單元不但對控制數據進行采集和數據上傳，而且能夠對于電池運行異常進行實時報警和分析，并給出蓄電池的性能曲線。

蓄電池運行出現異常時，本程序設有以下報警：蓄電池單體電壓過高/低報警、蓄電池組電壓過高/低報警，蓄電池電流過大報警、蓄電池內阻異常報警、蓄電池容量不足報警等。

3 蓄電池監控系統數據測試驗證

設定蓄電池的標準電壓值，利用標準儀表和控制系統共同測量相關蓄電池參數，對比結果如表1～3所示。

表1 電壓測試數據

表2 電流測試數據

表3 內阻測試數據

以上測量結果說明，蓄電池的測量參數誤差均在5%之內，均已達到預先的測量精度。

4 充放電試驗

將模擬電源斷開，變流器交流側斷路器閉合后進行蓄電池充放電試驗，蓄電池和電網的能量相互交換，本次試驗蓄電池側DC/DC變換器采用電流控制方式，給定電流指令，通過反饋做差后經PI調節器得到占空比，從而控制雙向DC/DC電路的充放電電流，充放電試驗波形如圖2所示。

圖2 充放電試驗波形

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，三相PWM整流器工作在整流狀態，直流側充電電流穩定在30A，蓄電池放電時，三相PWM整流器工作在逆變狀態，直流側放電電流穩定在40A。

5 結語

隨著蓄電池在電力，通信等領域的廣泛應用，蓄電池應用的合理性和管理的智能化成為廣泛關注的問題，尤其是蓄電池內阻以及內部容量的快速計算已經成為研究熱點。本文研究的這套系統主要采集蓄電池電壓、電流、溫度、內阻等重要參數，對蓄電池的運行狀態進行實時監控，同時通過開關器件的控制進行電池充放電控制。測量和充放電對比試驗結果證明，本文所提出的大容量蓄電池控制系統的正確性。

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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

沈陽工程學院大學生創新創業項目； 電力學院大學生創新實驗室

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； 許傲然，男，沈陽工程學院電力學院講師主要研究方向新能源技術； 閆爾康，男，沈陽工程學院電力學院學生主要研究方向新能源技術； 程翀，女，沈陽工程學院電力學院學生主要研究方向新能源技術。