BIPV 儲能電池組狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)設計

石懷學 （1.中鐵建設集團有限公司，北京 100040；2.中鐵建設集團華東工程有限公司，江蘇 昆山 215332）

隨著社會經(jīng)濟的快速發(fā)展，中國已是世界上最大的能源消費國，能源短缺問題日趨嚴重，提高清潔能源等非石化能源的占比至關(guān)重要，太陽能分布廣泛、儲量巨大，是一種優(yōu)質(zhì)的可再生清潔能源，越來越受到國家政策的支持。隨著大型集中式地面電站建設開發(fā)的飽和，BIPV（Building Integrated Photovoltaic，光伏建筑一體化）電站等分布式光伏應用將成為我國太陽能應用的重點發(fā)展方向[1]。BIPV 作為綠色建筑的主流形式，代表了城市和建筑能源發(fā)展的未來趨勢。儲能型 BIPV 通過蓄電池組對能量進行存儲和緩沖，具有較好的削峰填谷做好用，對電網(wǎng)的電能質(zhì)量影響小，并可最大限度的發(fā)揮就地發(fā)電就地消納的地域均衡優(yōu)勢。徽尚廣場項目，是一棟超高層辦公商業(yè)綜合體建筑，建筑高度達128 m，幕墻高度達 148.3 m，有著強大的光照強度和光照面積及風能采集高度優(yōu)勢，擬采用該項技術(shù)。

電池組是儲能型光伏電站的基礎(chǔ)裝備，電池組的狀態(tài)對發(fā)電系統(tǒng)的能效和安全等具有決定性的影響，因此儲能電站的蓄電池組需實時監(jiān)測蓄電池組的各狀態(tài)量，以保證電池組的安全運行、延長電池組使用壽命、提升儲能型 BIPV 的綜合能效[2]。

1 總體結(jié)構(gòu)設計

蓄電池組的核心運行參數(shù)包括蓄電池電壓、充放電電流、蓄電池溫度。蓄電池電壓受活性物質(zhì)含量的影響，表征了蓄電池的剩余容量；充放電電流表征了電化學反應的烈度，適當?shù)某浞烹婋娏鲗ρ娱L蓄電池壽命具有重要意義；蓄電池溫度受電池內(nèi)阻和工作電流的影響，表征電池的安全狀態(tài)和健康狀態(tài)[3]。某 BIPV 試驗電站儲能電池組采用 24 V 100 Ah 的 VRAL 鉛酸蓄電池，擴容結(jié)構(gòu)為 10 串 2 并，最大充放電電流為 0.1C，為了實現(xiàn)遠程儲能電池組單體電壓、充電電流、放電電流和單體電池溫度的監(jiān)測，設計了結(jié)構(gòu)如如圖 1 所示的狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)。

圖1 蓄電池狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

2 硬件設計

2.1 CC2530核心電路

系統(tǒng)控制核心采用 CC2530 芯片，該芯片集單片機、ADC、無線通信模塊于一體，滿足電池電壓采集、電流采集、溫度采集、無線通信和低功耗的軟硬件功能需求。電路如圖 2 所示，CC2530 的 P0 口設置為模擬量輸入端口，用于采集電壓電流信號；CC2530 的 P1 口設置為數(shù)字量輸入輸出端口，用于系統(tǒng)控制和溫度數(shù)據(jù)通信。

圖2 CC2530核心電路

2.2 多通道模擬開關(guān)控制電路

CC 2530 片內(nèi)集成了 8 通道 ADC，但由于被測電池組有20 個單體電壓需要監(jiān)測，超過了 CC2530 的固有資源，因此通過多通道模擬開關(guān) ADG 732 來選擇各被測電壓，通道選擇由 CC 2530 的 P1.0～P1.4 各引腳的邏輯狀態(tài)確定。電路如圖 3 所示。

圖3 多通道模擬開關(guān)控制電路

2.3 電池組及系統(tǒng)供電電路

儲能電池組的構(gòu)成如圖 4（a）所示，電池 BAT 1～BAT 10和電池 BAT 11～BAT 20 分別串聯(lián)成支路后并聯(lián)，電阻 R5 和R 6 為各支路的電流采樣電阻。

為了協(xié)調(diào)串聯(lián)電池組各單體電池的共模電壓和電壓檢測電路的輸入范圍，系統(tǒng)以串聯(lián)電池組中的第 5 個電池 BAT 5為供電基準，電池組中各電池相對于 BAT 5 負極的偏置電壓均在單體電池電壓檢測變換電路的輸入許可范圍之內(nèi)。系統(tǒng)所需的 ±15 V、±5 V 和 3.3 V 轉(zhuǎn)換電路如圖 4（b）所示。

圖4 電池組及系統(tǒng)供電電路

2.4 蓄電池電壓檢測電路設計

單體電池電壓檢測變換電路通過高共模輸入的差動運放 INA117 實現(xiàn)，該芯片的許可的共模電壓為 ± 200 V，在電源電路的配合下，可滿足本項目儲能電池組的電壓監(jiān)測需求。具體電路如圖 5 所示，各電池的正極接至運放 INA117的同相輸入端，電池的負極接至運放 INA117 的反相輸入端，運放輸出值即為該被測電池兩端的電壓差值；為了匹配CC2530 內(nèi)置 ADC 的輸入范圍，模擬開關(guān)輸出端通過精密低溫漂電阻進行了分壓。

圖5 蓄電池電壓檢測電路

2.5 電流檢測電路設計

電流檢測采用 50 mΩ 精密采樣電阻，采樣電阻兩端的電位差經(jīng)前級差動放大器 INA117 求差后再由后級運放OP07 放大，電路如圖 6 所示。由于 INA117 具有極高的輸入阻抗，可以有效避免放大器電阻網(wǎng)路對被測電流的影響；電阻 R4 和電阻 R3 的阻值比為 1.5，后級運放所接的VREF 為0.6 V，由 REF3120 穩(wěn)壓芯片的輸出經(jīng)電位器分壓得到；當被測電流在 ± 20 A 的額定范圍內(nèi)時，后級輸出 VISI1的范圍為 0～3 V，接至 CC2530 的 P0.1；另一路電流檢測電路結(jié)構(gòu)相同，將 BAT11- 和 BAT- 之間的點位差轉(zhuǎn)換成 VIS2輸出至 CC2530 的 P 0.2。

圖6 電流檢測電路

2.6 溫度檢測電路設計

溫度檢測傳感器采用數(shù)字式溫度傳感器 DS18B20，DS18B20 片內(nèi)固化全球唯一的 64 位 ID 號作為獨立標識。微處理器可根據(jù)該 ID 號辨識和區(qū)分總線上的器件，從而允許多只 DS18B20 同時掛接在一條單線總線上，因此，可以很方便地實現(xiàn)多點測溫。各傳感器采用并聯(lián)方式導熱硅脂貼裝于各 VRLA 的正極接線柱上，電源及信號線采用 3 芯屏蔽線。電路如圖 7 所示，溫度檢測傳感器的信號線 DQ 接至CC2530 的 P1.7 端口，由于 DS18B20 的信號線 DQ 在溫度檢測傳感器片內(nèi)為開漏結(jié)構(gòu)，因此配置了 4.7 K 的上拉電阻；芯片供電為 ＋3.3V，以便于和 CC 2530 的邏輯電平相匹配；為了確定溫度檢測傳感器和蓄電池的對應關(guān)系，本項目在調(diào)試過程中通過手持加溫的方式逐個對芯片進行了識別和匹配。

圖7 溫度檢測電路

3 軟件設計

系統(tǒng)的軟件功能包括蓄電池電壓采集、電流采集、溫度采集和 ZigBee 通訊管理，系統(tǒng)軟件的總流程圖如圖 8 所示。初始化模塊負責完成 CC2530 的 P0 口和 P1 口功能初始化、定時器初始化、模擬開關(guān)通道初始化、無線功率設置和信道設置；DS18B20 枚舉識別模塊負責確定系統(tǒng)內(nèi)所有DS18B20 的 ID 識別；循環(huán)體包括電壓監(jiān)測模塊、電流監(jiān)測模塊、溫度巡檢模塊和數(shù)據(jù)發(fā)送模塊；電池電壓巡檢模塊完成多通道模擬開關(guān)選通控制、ADC 轉(zhuǎn)換和標度變換；電流檢測模塊完成兩個支路充放電電流的 ADC 轉(zhuǎn)換和標度變換；溫度檢測模塊通過所枚舉識別出的 DS18B20 的 ID 號，依次讀取溫度值；數(shù)據(jù)通信則負責將上述監(jiān)測數(shù)據(jù)發(fā)送至監(jiān)控端；為了降低系統(tǒng)的能耗，循環(huán)體中增加了延時模塊。

4 結(jié) 語

基于 CC2530 和電壓電流溫度檢測電路，實現(xiàn)了 BIPV儲能電池組的遠程狀態(tài)監(jiān)測，為 BIPV 電站的智能運維提供了實時數(shù)據(jù)支持。通過 HIOKI 3238 萬用表和 FLUKE51-II 測溫儀對系統(tǒng)的監(jiān)測數(shù)據(jù)進行了比對，比對結(jié)果表明系統(tǒng)監(jiān)測數(shù)據(jù)的準確性和穩(wěn)定性達到了施工方的設計要求，是一種低成本高壓電池組監(jiān)測解決方案。未來將完善集中監(jiān)控端的軟硬件設計，并對監(jiān)測端進行擴容，以滿足更大功率容量的BIPV 儲能電站蓄電池組的狀態(tài)監(jiān)測需求。