磷酸鐵鋰儲能電池管理系統設計

宋春寧，童廣浙，林小峰

(廣西大學電氣工程學院，廣西南寧530004)

磷酸鐵鋰儲能電池管理系統設計

宋春寧，童廣浙，林小峰

(廣西大學電氣工程學院，廣西南寧530004)

結合儲能電池的特點，設計了一套基于PC104和飛思卡爾MC9S12單片機的電池管理系統。提出了電池管理系統整體設計方案，給出了具體的硬件設計和軟件設計。實現對電池電壓、電流和溫度的監控，CAN總線和RS232串口通信的設計和電池荷電狀態(SOC)的估計。

MC9S12；儲能；電池管理系統；CAN通信

近年來，隨著傳統能源的枯竭和環境保護的要求，全球新能源正加速發展。2011年，全球風電、光伏的裝機容量已分別達到238和28 GW。根據發展預測，到2020年，全球風電、光伏將分別達到1 260和200 GW[1]。但是由于受到氣候條件變化等的影響，風電、光伏等新能源發電表現出波動性、間歇性、隨機性等特點，對接入電網的穩定運行造成極大影響[2]。應用電池儲能技術可以實現削峰填谷，平衡電力負荷，提高供電可靠性，改善電能質量，很大程度克服了新能源發電的缺點[3]。

在儲能電站中，磷酸鋰鐵電池儲能電站具有占地面積小、效率高、轉換快、安全可靠、運行靈活、環境友好、維護簡單、建設工期短等特點[4]。隨著磷酸鐵鋰電池成本的降低，磷酸鋰鐵電池儲能電站必將成為儲能技術的熱點和重點。研究儲能電池的電池管理系統(BMS)是實現儲能技術的基礎和關鍵。它能延長儲能電池的使用壽命，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據。

1 總體設計方案

由于儲能電池數量龐大，為了使用安全和效率，本設計采用了以12個180 Ah單體電池串聯為一組的成組模塊化技術。相應的儲能電池管理系統分為兩級，總電池管理系統檢測電池組的總電壓、電流數據，接收子系統的數據并通過以太網和串口分別在監控主機和工業現場人機界面上顯示所有電池的參數，估計電池組的荷電狀態 (SOC)，并與電力轉換系統(PCS)實現互聯，負責接入電網。

總電池管理系統采用PC104工控主板結構，PC104系統采用了多個功能模塊板進行互相堆棧的形式，占用空間非常小，功耗也比傳統PC低得多。PC104硬件資源非常豐富，使用PC104省去了AD轉換模塊、CAN通信、以太網、RS232通信等模塊的硬件電路設計，提高了系統設計的效率和可靠性，減少了設計的成本和復雜性。PC104比一些單片微處理器更適合于需要大量數據處理、高速傳輸網絡、人機界面顯示和高可靠性的場合。圖1為儲能電池管理系統結構示意圖。

圖1 儲能電池管理系統結構示意圖

BMS子系統檢測單體電池的電壓、電流和溫度，估計單體電池的SOC，并把數據通過CAN總線發送到上級管理系統中進行監控界面顯示和進一步數據處理。在BMS子系統中，采用Freescale的16 bit微處理器MC9S12XS128作為系統的微控制器 (MCU)。其片內集成了所有設計時需要的模塊，包括SPI通信、AD采集、SCI通信、CAN總線等，不需要外部擴展就可以實現BMS所有的功能。

BMS工作時，電壓采集芯片LTC6802-2采集電池組單體電池的電壓并通過SPI把數據傳輸給MCU，霍爾電流傳感器檢測電池組的工作電流通過MCU的A/D轉換模塊轉換成電流參數，溫度傳感器18B20通過單總線結構實現多個級聯并由MCU的I/O口實現溫度的轉換和讀取。MCU通過實時的電壓、電流參數估計電池的SOC，通過RS232串口把數據傳輸到上位機，并把數據和上位機軟件系統上設置的上下限警報數據進行對比。當達到警報值時，在上位機上顯示警報信息并使MCU通過控制電路控制實現電池組通斷等安全操作，在工業現場可以安裝觸摸液晶顯示屏實現現場的實時監控。MCU通過CAN總線接口實現多個子系統和總系統的互聯。圖2為BMS子系統設計方案框架圖。

圖2 BMS子系統設計方案框架圖

2 硬件電路的設計

2.1 電壓采集

每片LTC6802-2可以同時測量12個鋰電池的電壓(最高電壓不超過60 V)，是一個完整的帶12位數模轉換、精確參考電壓、高壓多路輸入和SPI接口的電池電壓檢測芯片。每片LTC6802-2自帶4位地址位，可以擴展到最多16片芯片，特別適合大量儲能電池的檢測。多個芯片連接時，它們能同時工作保證所有電池在13 ms內得到測量。圖3為第一片LTC6802-2電路連接示意圖。

2.2 電流采集

相對于電壓、溫度其他物理量，電流監測具有以下特點：其一，電流的采樣通道少。儲能電池往往串聯使用，各電池的工作電流相同，只需對總電流進行監測。其二，電流的采樣頻率高。電流的采樣頻率對SOC的估計精度和系統的安全性都有重要的影響，因此應保證電流的高采樣頻率。

圖3 第一片LTC6802-2電路連接示意圖

由于采用分流器測電流存在熱損耗和隔離的問題[5]，本設計采用基于霍爾傳感器的電流監測。霍爾傳感器集成了放大電路，只需向放大電路供電就可以精確地采集電流。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轉換模塊進行實時轉換。

2.3 溫度采集

在對電池的SOC進行估計時，必須考慮溫度的影響，因為在不同的溫度下，電池放出的電荷是不同的。溫度高時，電池電化學反應速率增加，釋放的能量也相應增加。但是溫度過高，會導致電池膨脹，外殼破裂，發生漏液，嚴重時導致燃燒并爆炸。溫度過低，電解液可能凍結，電化學反應降低，電池性能嚴重下降[6]。BMS中，對單體電池、環境溫度和電池箱溫度進行溫度監測，溫度過高時采用并行風冷系統進行降溫，達到警戒值時通過控制電路直接斷開充放電回路開關并報警。溫度過低時，采用暖風機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SOC的評算和電池的安全保護都非常重要。

溫度檢測的方案主要有熱敏電阻方式、18B20方式、專用芯片如DS2782方式等。考慮到成本、精度、設計難度等，本設計采用18B20。18B20的檢測溫度范圍為-55～+125℃，最高可達12位分辨率，12位分辨率時的最大工作周期為750 ms，精度為±0.5℃，采用全數字溫度輸出和先進的單總線數據通信。應用單總線方式級聯多個傳感器，可以實現對多點溫度同時采集。

2.4 CAN通信

CAN通信是一種技術先進、成本低廉、安全可靠、功能完善的網絡通信控制方式。CAN總線是唯一成為國際標準的現場總線，也是國際上應用最廣泛的現場總線之一[7]。

將當前大修凝汽器磁性過濾器沉積物的重量與歷次進行比對，如圖4所示。圖4中橫坐標為機組大修周期，縱坐標為磁性過濾器吸附總量和日均吸附量。圖4表明，隨著機組的不斷運行，磁性過濾器吸附量總量和日均吸附量在整體上呈現不斷減少的趨勢，經計算，第11次大修的吸附量總量和日均吸附量分別為第2次大修時吸附量的0.35倍和0.26倍，這表明在現行的水化學工況下，二回路腐蝕產物不斷減小。

本設計中采用MCU自帶的CAN控制器，CAN收發器為Philips公司的TJA1050。為了加強設計的通用性和可擴展性，CAN協議采用國內機械標準JB/T 11138-2011鋰離子蓄電池總成接口和通信協議。圖4為單體鋰電池狀態報文，CID為報文標識符，CHAR-MODE和BMS-MODE為電池類型、工作狀態等電池狀態標識碼。

圖4 單體鋰電池狀態報文

CAN模塊的設計包括初始化、發收數據、檢錯校驗。CAN初始化完成后進入了工作模式，將電壓、溫度等數據按照報文格式寫入CAN發送緩沖器中等待發送，發送的數據幀包含幀起始、仲裁場、控制場、數據場、CRC場、應答場和幀結尾，得到發送請求后把數據發送出去。CAN模塊的數據接收環節也要同樣初始化，設置相同的CAN總線頻率，通過標識碼和校驗碼的識別后決定是否接收數據，最后按優先級順序完成接收數據。

3 系統軟件設計

微處理器上的程序設計使用飛思卡爾CodeWarrior編譯環境。微處理器上主要的程序為硬件初始化、數據采集、通信配置、故障警報、數據存儲等，根據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為微處理器軟件設計的流程圖。

圖5 微處理器軟件設計的流程

上位機使用VC6.0進行監控界面的設計和開發，開發界面使用MFC(Microsoft Foundation Classes)，顯示電池所有的參數。

監控人機界面采用Kinco公司的EV5000系列工業嵌入式觸摸屏人機界面，使用eView組態編輯軟件開發界面。人機界面的主要功能有實時顯示監控電池的電壓、電流和溫度參數、顯示電壓變化曲線、顯示電池狀態、設置和顯示警報等。人機界面主頁面如圖6所示。

圖6 液晶監控顯示界面

4 SOC電量估算

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

安時法是最常用的SOC估計方法。如果充放電起始狀態為SOC0，當前狀態的SOC為：為額定容量，為電池電流，η為充放電效率。在安時法應用中如果電流測量不準，將造成SOC計算誤差逐漸積累，最終導致誤差越來越大，電池充放電效率對測量誤差也有影響。

開路電壓法是利用開路電壓和SOC成一定的關系來估算SOC。磷酸鐵鋰電池的開路電壓與SOC關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，難以準確估計SOC。這里采用安時法結合開路電壓法，在充放電初期和末期采用開路電壓法矯正安時法的積累誤差，在充放電中期主要采用計量準確的安時法，可以得到較為理想的精度。

5 結論

該文設計開發了磷酸鐵鋰儲能電池管理系統，通過實際電池的測試和實驗實現了實時檢測各種運行參數、數據傳輸、故障診斷和報警等功能，為儲能電池的應用提供了基礎。

[1]王文亮，秦明，劉衛.大規模儲能技術在風力發電中的應用研究[C]//第十二屆中國科學技術協會年會論文集.福州：第十二屆中國科學技術協會年會，2010:1-6.

[2]田軍，朱永強，陳彩虹.儲能技術在分布式發電中的應用[J].電氣技術，2010(8):28-32.

[3]強占云，鞠建永，吳福保，等.適用于分布式發電的儲能技術比較[J].農村電氣化，2011(4):58-60.

[4]俞恩科，陳梁金.大規模電力儲能技術的特性與比較[J].浙江電力，2011(12):4-8.

[5]胡銀全，劉和平，張毅，等.磷酸鐵鋰動力電池組容量損耗分析[J].武漢理工大學學報，2011,33(9):130-134.

[6]李哲，韓雪冰，盧蘭光，等.動力型磷酸鐵鋰電池的溫度特性[J].機械工程學報，2011,47(18):115-120.

[7]連子峰，鄭杭波，齊國光.基于CAN總線的分布式電池管理系統[J].電源技術應用，2003,6(1):41-44.

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，主要研究方向為智能控制與電力電子技術。