基于 Cortex-M4內核的蓄電池儲能控制器研究

北方民族大學 劉冬輝 唐 吉 馬成虎

1.引言

近年來隨著環保綠色能源的提倡，清潔能源利用率升高，儲能技術高速發展，市場上對儲能裝置的需求逐漸增大。電力儲能裝置有抽水儲能裝置、壓縮空氣儲能裝置、飛輪儲能裝置和蓄電池儲能裝置等，蓄電池儲能裝置有成本低、可回收利用、維護簡單、體積小特點被大量應用在工廠供電、農業機械用電、航海供電、醫用器械等領域。

蓄電池儲能裝置主要用于電能存儲和電力變換，由蓄電池和充放電控制器兩部分組成。

充放電控制器由低成本電池管理芯片及外圍電路構成，通過檢測蓄電池電壓信號，控制蓄電池充放電電路實現蓄電池先恒流后恒壓充電和恒電壓放電模式。蓄電池在長期使用過程中容易受過充電、過放電、高溫下充電等誤操作影響導致電解液和電極受損，充電時間加長，儲能效率降低。蓄電池儲能控制器通過控制蓄電池充放電模式和蓄電池內部運行參數檢測保護模塊保證蓄電池高效穩定運行，提高蓄電池儲能效率，防止蓄電池過充電、過放電、高溫充電等誤操作損壞蓄電池。

2.蓄電池儲能控制器充放電原理

蓄電池儲能控制器控制蓄電池充電狀態與放電狀態的自動切換，充電狀態下儲能控制器檢測充電電壓值，控制蓄電池充電電流和電壓經PID控制器組成串聯反饋控制系統，保持充電電流、電壓值恒定[1]；放電狀態下儲能控制器采集蓄電池輸出電壓值作為反饋量，由PI控制器調節實際輸出電壓值構成串聯負反饋系統，設定輸出電壓理想值，控制蓄電池放電狀態保持恒定輸出[2]。

2.1 蓄電池充電控制原理

充電電流經過濾波電路降低電流波紋輸入蓄電池充電電路，蓄電池充電過程分為兩個過程。首先恒電流充電，充電控制部分采用了電流閉環反饋系統控制蓄電池充電電流恒定輸入蓄電池[3]，待蓄電池可接受電流能力達到一定程度時轉為恒電流恒電壓充電，轉換過程中應保持充電電流電壓[4]平穩過渡，由電壓閉環反饋系統控制蓄電池充電電壓保持恒定，直至電流閉環反饋系統穩定，蓄電池保持恒電流恒電壓充電。

2.2 蓄電池放電控制原理

蓄電池正常放電隨時間變化，輸出電壓值逐漸降低，經過DC/DC變換電路將蓄電池輸出電壓穩定并變換為正常供電電壓，由放電控制部分將蓄電池輸出電壓值作為輸入量，DC/DC變換電路輸出作為輸出量構成電壓串聯負反饋控制系統，保持放電電路輸出電壓恒定。

2.3 蓄電池充放電切換原理

蓄電池儲能控制器檢測待機模式下蓄電池電量，經手動充電參數設定，由蓄電池儲能控制器判定蓄電池電量能否保證蓄電池儲能裝置正常穩定運行，對比蓄電池充電歷史數據[5]，自動優化蓄電池充放電切換策略，提高蓄電池運行穩定性。

3.蓄電池保護原理

蓄電池誤操作大部分由人為因素造成，導致蓄電池內部受損[6]，蓄電池儲能控制器通過蓄電池內部溫度檢測部分、內部電解液比重檢測部分、電量采集部分和光耦隔離部分防止蓄電池受損，利用Cortex-M4的高頻運行特點，結合高精度AD電壓采集模塊完成對蓄電池充放電過程中蓄電池電能參數準確高效的數據采集。

3.1 蓄電池內部保護原理

蓄電池內設溫度傳感器和電解液比重傳感器檢測蓄電池工作溫度值和電解液濃度值[7]，由蓄電池儲能控制器判斷電解液溫度是否處于正常工作范圍內，若參數超出正常工作范圍，及時關閉蓄電池運行狀態，防止蓄電池高溫充電[8]；定時檢查電解液濃度值，若電解液濃度過低，由蓄電池儲能控制器控制電解液濃度過低報警裝置提示電解液更換。

3.2 蓄電池外圍保護原理

蓄電池儲能控制器高精度AD電流采集模塊將蓄電池正極輸出電流值與設定值快速比較，若輸出電流超出預設電流范圍，由蓄電池儲能控制器控制電源切除裝置動作，防止蓄電池短路；蓄電池剩余電量采集模塊檢測蓄電池電量[9]值反饋到Cortex-M4芯片控制器與設定電量極值比較，若不滿足預設電量范圍，控制控制電源切除裝置動作，保持蓄電池工作在合適電量范圍內。

4.結束語

本文采用Cortex-M4芯片及其外設電路構成蓄電池儲能控制器控制蓄電池恒電壓恒電流充電和恒電壓放電，利用外設電路檢測蓄電池運行狀態避免蓄電池高溫充電、過充電、過放電和電解液低，影響蓄電池儲能效率，提高蓄電池運行穩定性。

[1]楊瑞良.獨立光伏發電系統控制策略的研究[D].大連理工大學,2013.

[2]鄒熙.直流微網的能量管理研究[D].西南交通大學,2016.

[3]賈龍,胡澤春,宋永華,丁華杰.儲能和電動汽車充電站與配電網的聯合規劃研究[J].中國電機工程學報,2017,37(01):73-84.

[4]程啟明,徐聰,程尹曼,黃偉,郭凱.基于混合儲能技術的光儲式充電站直流微網系統協調控制[J].高電壓技術,2016,42(07):2073-2083.

[5]黃小慶,陳頡,田世明,曹一家,楊夯,江磊.電動汽車充電站規劃、運行中的大數據集成應用[J].電網技術,2016,40(03):762-767.

[6]龍徐.蓄電池日常維護的注意事項分析[J].機電信息,2018(6).

[7]劉紅.電力系統蓄電池容量不足分析處理方法探討[J].科學技術創新,2018(05):66-67.

[8]史趙侃,朱瑾,張科波,包震洲.變電站直流系統蓄電池智能跨接方法技術研究[J].科技與創新,2018(08):84-85.

[9]齊明浩.淺析HXD1型電力機車蓄電池虧電原因和預防措施[J].中國新技術新產品,2018(08):33-34.