光伏混合動力電池實(shí)時(shí)管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

龍 芬

光伏混合動力電池實(shí)時(shí)管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

龍 芬

隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，全球電能需求每年都在增加，目前大多數(shù)電能是通過煤、天然氣和石油生產(chǎn)出來的，這些傳統(tǒng)的生產(chǎn)方式會直接影響并污染環(huán)境。 因此，來自混合可再生能源的電能已經(jīng)成為新的可替代的供電方式。

混合可再生能源系統(tǒng)(HRES)由于可再生技術(shù)的進(jìn)步和石油產(chǎn)品價(jià)格的提高而在偏遠(yuǎn)地區(qū)的發(fā)電中變得流行。HRES通常由兩個(gè)或多個(gè)可再生能源組成，一起使用以增加系統(tǒng)的效率和平衡電能輸出。 最常用的HRES類型是耦合到發(fā)電機(jī)的光伏(PV)陣列。混合能源系統(tǒng)通常比獨(dú)立的光伏系統(tǒng)產(chǎn)生更大的經(jīng)濟(jì)和環(huán)境回報(bào)。如在夜間或在云覆蓋下，當(dāng)PV不能發(fā)電時(shí)，為了穩(wěn)定HRES，這時(shí)就需要能量存儲系統(tǒng)補(bǔ)充發(fā)電。

一般HRES能量存儲單元就是電池系統(tǒng)。這些電池存儲系統(tǒng)的重要指標(biāo)就是性能、壽命和耐久性。因此，在這些應(yīng)用中需要電池管理系統(tǒng)(BMS)來控制電池的工作條件，穩(wěn)定系統(tǒng)并延長電池的使用壽命。

1 應(yīng)用于可再生能源系統(tǒng)的電池類型對比

任何類型的電池都可以用于可再生能源系統(tǒng)中。但是通過比較鉛酸，鎳鎘和鎳鐵電池，發(fā)現(xiàn)最常用于可再生能源系統(tǒng)的電池類型是深放電鉛酸電池。從表1所示的三種類型電池中可以看出，鉛酸電池在價(jià)格、性能和電池壽命這幾個(gè)方面是最有優(yōu)勢的。

表1 三種電池類型的比較

2 鉛酸電池理論

鉛酸電池經(jīng)常用于電動自行車和其他不太關(guān)注于重量的場合。在20世紀(jì)70年代，閥控式鉛酸電池(又名密封鉛酸電池)被開發(fā)出來；凝固的電解質(zhì)替代了液態(tài)電解質(zhì)，使電池可以應(yīng)用在不同的地方而不會引起泄漏。

電池的放電狀態(tài)、正負(fù)極材料都是硫酸鉛(PbSO4)，電解質(zhì)主要是水和稀硫酸。放電過程其實(shí)就是負(fù)極金屬的電子通過外部電路遷移到正極的過程。電池充電后，每個(gè)單元的硫酸電解質(zhì)中都包含有負(fù)極板上的Pb離子和正極板上的PbO2離子。電池充電過程就是把外界電源的電能轉(zhuǎn)為化學(xué)能儲存起來的過程，正極板在外界充電電源的作用下，強(qiáng)行遷移電子到充電電源，而負(fù)極板上則由充電電源導(dǎo)入電子。鉛酸電池的類型多樣，但最適合可再生能源系統(tǒng)的電池類型是深放電型，因?yàn)檫@種類型的電池能在很長時(shí)間內(nèi)連續(xù)提供電力，且在不損壞電池的前提下放電總量可達(dá)電池總量的80%。

3 荷電狀態(tài)估算方法

荷電狀態(tài)(SOC)相當(dāng)于電池組的一個(gè)電量指標(biāo)。SOC的單位是百分比，0%即空的狀態(tài)，100%即滿的狀態(tài)。另一種形式的相似的衡量指標(biāo)是放電深度(DOD)，DOD=1-SOC (即SOC為100%的，DOD是空的狀態(tài)，SOC為0%的，DOD為滿的狀態(tài))。SOC通常用于討論當(dāng)前電池的使用狀態(tài)，在討論重復(fù)使用后的電池壽命時(shí)最常使用的指標(biāo)是DOD。

狀態(tài)估計(jì)在電池管理系統(tǒng)(BMS)中必須精確，因?yàn)锽MS系統(tǒng)是通過控制電池的性能來延長其壽命的。但在實(shí)際應(yīng)用中，由于混合系統(tǒng)中的負(fù)載是不穩(wěn)定的，因此直接估算SOC是不準(zhǔn)確的。為了提高電池的性能和可靠性，在電池管理系統(tǒng)中，估算電池的荷電狀態(tài)是非常有必要的。而今有許多估算荷電狀態(tài)的的算法，因此，我們對不同的SOC估算技術(shù)進(jìn)行了對比，如表2所示。

表2 SOC估算技術(shù)對比

通過以上對比與分析，本文給出了一種基于庫侖計(jì)數(shù)的SOC估算方法，并將其應(yīng)用于PV-hybrid電源的電池電管理系統(tǒng)中，因?yàn)檫@種方法在負(fù)載不穩(wěn)定的情況下能被實(shí)時(shí)的監(jiān)控，并且容易計(jì)算。

4 基于庫侖計(jì)數(shù)的SOC估算技術(shù)

荷電狀態(tài)通過測量電池的電流并通過積分來估算。然而，這種方法的缺點(diǎn)是時(shí)間長了會漂移以及缺乏參考點(diǎn)。因而，SOC必須定期進(jìn)行校準(zhǔn)。比如，當(dāng)充電器確定電池是充滿電的時(shí)候，通過重置SOC到100%。對實(shí)時(shí)估算來說，通過傳感器獲得實(shí)時(shí)測量值和初始化的100%SOC,再采用如下公式進(jìn)行估計(jì)。

SOC(t)=實(shí)時(shí)充電狀態(tài),SOCinit=初始充電狀態(tài),i(t)=實(shí)時(shí)放電電流,Cn=電池容量。

5 電池的退化因素

a.環(huán)境溫度效應(yīng)：鉛酸電池由氧化鉛正極板和負(fù)極板組成。而兩塊板都浸在硫酸中，溫度會影響板的腐蝕和退化率。溫度說明由IEEE11 84給出。

b.浮充電壓：與目標(biāo)的充電電壓不同的電壓會影響極板的退化。當(dāng)浮充電壓在電池的目標(biāo)電壓之下，電池將會遭到正負(fù)極板的硫化。如果浮充電壓超過目標(biāo)電壓，則電池會存在脫水現(xiàn)象。

c.循環(huán)放電：重復(fù)循環(huán)放電會導(dǎo)致電池退化。因?yàn)殡姵氐耐嘶姵氐臉O板將出現(xiàn)腐蝕現(xiàn)象。

6 電池管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)

基于鉛酸電池的基本理論、荷電狀態(tài)估算技術(shù)以及確定電池退化狀態(tài)的方法，我們將設(shè)計(jì)一種新的電池管理系統(tǒng)，該BMS設(shè)計(jì)程序如圖1和圖2所示。圖1為電池控制和SOC估算程序圖，圖2是BMS監(jiān)控顯示界面。如圖2所示，監(jiān)控界面由四個(gè)組成部分所組成：第一部分顯示電池的電壓和負(fù)載電流；第二部分顯示電池電壓、PV電壓、PV充電電流和DC發(fā)電機(jī)充電電流產(chǎn)生的數(shù)字值；第三部分顯示電池的SOC圖像，如果系統(tǒng)檢測到故障，第四部分將發(fā)出警報(bào)，以便管理員可以實(shí)時(shí)分析和對系統(tǒng)作出反應(yīng)。

圖1 電池控制和SOC估算程序

圖2 BMS監(jiān)控顯示界面

電池管理系統(tǒng)通過數(shù)據(jù)采集，進(jìn)行電管理、熱管理、安全管理，從而確定電池的狀態(tài)。

6.1 數(shù)據(jù)采集

所有的算法均使用BMS的測量數(shù)據(jù)作為輸入信息。因而，精度、采樣率和前置濾波器的特性是BMS的關(guān)鍵和依賴。BMS還可以處理BMS與其他車載和車外設(shè)備之間的通信。這取決于具體的應(yīng)用，不同的接口可能用于不同的數(shù)據(jù)交換。本設(shè)計(jì)主要應(yīng)用于局域網(wǎng)中，LAN使用DAQ-9188和模塊NI9335、NI9227、NI9211以及NI9401,如圖3所示。

圖3 庫侖計(jì)數(shù)法的數(shù)據(jù)采集模塊

6.2 電管理

電管理系統(tǒng)的輸入?yún)?shù)是電流、電壓和SOC。本系統(tǒng)在電管理方面主要控制充放電的過程。

6.3 熱管理

對大多數(shù)的高功率和高溫電池來說，熱管理是必需的。熱管理系統(tǒng)等價(jià)于電池的溫度管理和必要時(shí)的降溫措施。基于液態(tài)和空氣的降溫系統(tǒng)經(jīng)常被使用，電池工作在35度、50度時(shí)停止工作。

6.4 安全管理

安全管理系統(tǒng)保護(hù)電池處于合理的工作條件下。本設(shè)計(jì)采用的約束如下：

1) 深度循環(huán)放電的控制標(biāo)準(zhǔn)是當(dāng)電池電壓達(dá)到80%DOD時(shí)停止電池的運(yùn)行；

2) 過充電電壓的控制標(biāo)準(zhǔn)是控制電池電壓不能超過115%的額定電壓。

6.5 電池狀態(tài)確定

對管理系統(tǒng)來說，電池的狀態(tài)是關(guān)鍵的輸入?yún)?shù)。本文通過庫侖計(jì)數(shù)法來確定電池的SOC。應(yīng)用庫侖計(jì)數(shù)法的BMS結(jié)果將與在實(shí)驗(yàn)室中使用12 V、5.5 A的鉛酸電池采用如圖4所示的MTB-series電池模塊標(biāo)準(zhǔn)的測試結(jié)果進(jìn)行對比。當(dāng)放電電流是1 A時(shí)，測試的對比結(jié)果如圖5所示。

通過圖5的比較可知，從100%開始，庫侖計(jì)數(shù)法相對于MTB系列估計(jì)具有10%的誤差。

圖4 基于MTB-series的SOC計(jì)算

圖5 LabVIEW中SOC和MTB的比較結(jié)果

7 結(jié)論

本文提出了一個(gè)用于PV-hybrid動力電源的實(shí)時(shí)BMS。該BMS采用庫侖計(jì)數(shù)法，設(shè)計(jì)了保護(hù)系統(tǒng)、控制系統(tǒng)和監(jiān)控系統(tǒng)。電池的數(shù)據(jù)采集使用的是LabVIEW8.5和Nic DAQ-9188模塊，還可將其作為其他系統(tǒng)的輸入?yún)?shù)。在實(shí)時(shí)系統(tǒng)中，SOC估算使用的是庫侖計(jì)數(shù)法。該方法已經(jīng)通過MTB系列電池的測試被驗(yàn)證。兩個(gè)系統(tǒng)的誤差約在5%左右。當(dāng)系統(tǒng)檢測到錯(cuò)誤時(shí)，將會發(fā)出警報(bào)，同時(shí)管理員能夠分析和對實(shí)時(shí)系統(tǒng)做出反應(yīng)，使系統(tǒng)穩(wěn)定并延長電池的壽命。

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[3] 陳全世,林成濤.電動汽車用電池性能模型研究綜述[J].汽車技術(shù),2005(3)：1-5.

[4] 姜國權(quán).電動汽車動力電池管理系統(tǒng)的研究[D].上海: 上海交通大學(xué)，2009.

責(zé)任編輯 俞 林

(咸寧職業(yè)技術(shù)學(xué)院 工學(xué)院，湖北 咸寧 437100)

本文利用庫侖計(jì)數(shù)法設(shè)計(jì)了一種應(yīng)用于光伏混合電源的實(shí)時(shí)電池管理系統(tǒng)。首先對系統(tǒng)中使用的電池類型進(jìn)行分析。接著分析充電狀態(tài)(SOC)估算方法和電池的劣化因素。最后構(gòu)建包括計(jì)算機(jī)測量和控制單元在內(nèi)的整體電池管理系統(tǒng)。利用LabVIEW 軟件中豐富的數(shù)據(jù)分析與處理功能編寫上位機(jī)程序來監(jiān)測系統(tǒng)的充電狀態(tài)，顯示實(shí)時(shí)信息。當(dāng)檢測到故障時(shí)，系統(tǒng)將發(fā)出警報(bào)，管理員可以實(shí)時(shí)分析并對系統(tǒng)做出反應(yīng)，以穩(wěn)定系統(tǒng)并延長電池壽命。

BMS； SOC； 庫倫計(jì)數(shù)； 光伏混合電源

Real-time Manage System Designed for PV-hybrid Power Battery

LONGFen

(Technical Faculty, Xianning Institute of Technology, Xianning 437100, China)

A real-time system of battery management is designed by coulomb counting method with PV-hybrid power. Firstly, to analysis which kind of battery is been used in the system. Secondly, the situation of the state-of-charge (SOC) is been checked. Finally, the manage system of battery is constructed by computer measurement. Through LabView software to monitor the charge status, when a fault is detected the administrators can get the warning on time. The real-time feedback is a useful way to stabilize the manage system and extend battery life.

BMS; SOC; coulomb counting; PV-hybrid power

2016-09-23

咸寧職業(yè)技術(shù)學(xué)院院級課題“3.3 kW電動汽車智能充電樁的設(shè)計(jì)”(2016B012)

龍芬(1984— )，女，湖南祁東人，講師，研究方向：自動測試系統(tǒng)與虛擬儀器。

10.13750/j.cnki.issn.1671-7880.2017.01.016

TM 912

A

1671-7880(2017)01-0057-04