基于微電網(wǎng)電池管理系統(tǒng)研究與設(shè)計

吳 瓊

（黑龍江東方學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150080）

1 概 述

近年來，隨著世界范圍內(nèi)不可再生資源匱乏和環(huán)境破壞等問題日益突出，能源危機已成為國內(nèi)外高度關(guān)注的問題。世界各國紛紛將低能耗和高效能作為生產(chǎn)發(fā)展目標(biāo)，并為此付出大量努力。可再生能源可從自然界中不斷獲取，有助于減輕能源壓力，降低環(huán)境破壞程度，因此通過利用可再生新能源進行發(fā)電吸引了各國的目光與關(guān)注，而且各國學(xué)者陸續(xù)開展了一系列研究工作，并收獲了不錯成果。在自然條件下，太陽能和風(fēng)能的分布很廣，利用其進行發(fā)電可以分為集中式和分布式兩種。其中分布式發(fā)電的穩(wěn)定性和經(jīng)濟性等更加優(yōu)越，所以其相關(guān)研究和開發(fā)利用更受人們重視。然而在分布式電源不斷增多的背景下，傳統(tǒng)模式逐漸顯現(xiàn)出大量問題與弊端，如效率不足等。鑒于此，微電網(wǎng)概念應(yīng)運而生，可以較好地解決上述問題[1]。

2 電池管理系統(tǒng)的硬件設(shè)計

2.1 系統(tǒng)總體方案設(shè)計

本文重點設(shè)計一種BMS，具體功能涵蓋電壓、電流、溫度采集、電池單體均衡管理、保護以及顯示等。硬件方面涵蓋主控芯片STC89C52、供電模塊、電壓采集模塊、電流采集模塊、溫度采集模塊、均衡模塊、保護模塊、報警模塊、LCD顯示模塊等。整體結(jié)構(gòu)如圖1所示[2]。

2.2 控制器最小系統(tǒng)設(shè)計

事實上，BMS控制器可選類型并不單一，按照BMS性能和性價比要求，經(jīng)全面對比分析，最終采用宏晶企業(yè)STC89C52 MCU。這款產(chǎn)品屬于8位MCU，通過CMOS技術(shù)研制實現(xiàn)，內(nèi)置8 KB ISP Flash閃存[3]。此外，這款產(chǎn)品選用早期MCS-51內(nèi)核，故而指令、引腳和早期51 MCU兼容，但經(jīng)過大量優(yōu)化與調(diào)整，最終擁有大量早期51 MCU無法實現(xiàn)的功能，實用性得到明顯提高。

2.3 供電電路設(shè)計

本次選擇+5 V直流電源，以解決實際問題。由于MCU和AQW212芯片分別要求+5 V和+3.3 V電源供電，故而必須完成電壓轉(zhuǎn)換[4]。經(jīng)全面對比分析，結(jié)合實際情況考慮，以LM1117-3.3芯片轉(zhuǎn)換輸出+3.3 V直流電，具體如圖2所示。LM1117-3.3 I/O端依次和地間并聯(lián)10 μF旁路電容，有助于保證輸出電壓可靠性，將+5 V接LM1117-3.3輸入端，即可輸出+3.3 V電壓。

2.4 均衡電路設(shè)計

事實上，電池之間性能始終存在相應(yīng)區(qū)別，一旦串聯(lián)為電池組，電池單體性能隨充放電過程暴露出明顯區(qū)別，造成單體性能無法統(tǒng)一。為消除這種不一致情況，必須完成均衡管理。本次選擇被動均衡，也叫做耗散型均衡，只要發(fā)現(xiàn)單體電壓沒有處于平衡態(tài)，便切入至均衡電路內(nèi)，消耗電量較高單體直至和最低單體一致，促使組內(nèi)電池彼此平衡，做到長期安全可靠運行。這種方式既有優(yōu)點也有不足，優(yōu)點在于結(jié)構(gòu)穩(wěn)定且容易實現(xiàn)，不足在于會有一定程度浪費現(xiàn)象，因此必須引起重視[5]。具體的均衡電路如圖3所示。

2.5 保護及報警電路設(shè)計

結(jié)合實際情況考慮，保護及報警電路主要由繼電器、三極管以及蜂鳴器等構(gòu)成，以此滿足保護和報警需求，從而保證系統(tǒng)始終可以安全穩(wěn)定運行。電池組穩(wěn)定工作無須保護期間，RY端相連I/O口，三極管截止，線圈未得電，BMS穩(wěn)定運行。一旦電壓、放電電流以及溫度超出預(yù)設(shè)安全值，MCU會將RY腳置1，三極管導(dǎo)通，繼電器常開、常閉觸點分別閉合和斷開，電路中斷，電池組不再放電，蜂鳴器動作產(chǎn)生提示。如果各項參數(shù)回歸安全區(qū)間，那么RY腳置0，BMS將繼續(xù)穩(wěn)定運行。保護電路原理如圖4所示。

3 電池管理系統(tǒng)的軟件設(shè)計

本次主控部分選擇STC89C52，這款MCU的開發(fā)環(huán)境為uVision V3.0，同時以C語言進行編程。需要注意是，在程序下載燒錄至MCU時，所用上位機選擇專門的STC_ISP_V4.0軟件來實現(xiàn)。軟件設(shè)計過程中，必須實現(xiàn)初始化、采集、SOC估算、均衡管理、保護以及顯示等功能。

4 結(jié) 論

儲能系統(tǒng)對微電網(wǎng)意義重大，屬于不可或缺的關(guān)鍵一環(huán)，本文從此出發(fā)，完成BMS軟硬件兩方面設(shè)計。隨著時間不斷推移，社會發(fā)展越來越快，能源問題和環(huán)保問題也會更加緊張，此時本課題的提出有著明顯必要性，未來必將引起更多的關(guān)注與重視。在后續(xù)工作和學(xué)習(xí)階段，將以本次研究成果為基礎(chǔ)，順應(yīng)時代發(fā)展趨勢，學(xué)習(xí)應(yīng)用更多新的技術(shù)與方法，促使BMS開發(fā)設(shè)計更加完善，借此緩解能源消耗壓力，從而為社會發(fā)展提供更大助力。