大容量蓄电池控制系统的研发

吴比，许傲然，闫尔康，程羽中

(沈阳工程学院，辽宁 沈阳 110136)

大容量蓄电池控制系统的研发

吴比，许傲然，闫尔康，程羽中

(沈阳工程学院，辽宁 沈阳 110136)

蓄电池的监控器(BMS)主要针对中小容量蓄电池，随着电子开关技术和智能微电网技术的发展，研发做为储能设备的大容量蓄电池控制系统成为了亟待解决的问题。提出了针对大容量蓄电池的控制系统，并且可以提高电池的使用安全性，使用寿命，以及使用效率，同时降低成本。所设计的蓄电池控制系统具有以下功能：(1)蓄电池管理系统的数据采集；(2)蓄电池管理系统具备的功能，进行了蓄电池并网的充放电试验，验证了系统的正确性；(3)电池管理系统工作原理，均衡效果和优缺点。

电池管理系统；电池均衡；储能设备

1 引言

蓄电池，即人们所说的二次电池，在充放电过程中，无论是使用悠久、广泛的铅酸电池，还是具有广阔发展空间的锂离子电池，最怕的就是过充电和过放电。一旦发生过充电或者过放电，电池就会发生损坏，使用容量降低，寿命剪短。在严重的情况下，会发生爆炸或者起火燃烧。特别是锂离子电池，由于电池过充，过放电通常引起爆燃现象。

因此，蓄电池在使用过程中，应当引入电池的自我监控系统，这是保证电池安全、性能、寿命的必不可少的措施。由于电池的一致性误差会引起电池自身发生过充，过放电的现象。同时，蓄电池组中各个单体电池的制造和使用条件不同，其特性存在差异。即蓄电池的内阻、电压、容量和自放电率，在不同充放电倍率、不同荷电状态、不同的使用方式的条件下，是有差异的，如果在充电，放电过程中没有得到有效控制，将导致电池容量和寿命的急剧下降。最终可能引起事故的发生。这是蓄电池使用中经常出现的问题。

因此，近几十年来，国内外学者都致力于解决蓄电池自我监控系统中误差所带来的危害。开发出了各种各样的电池自我管理系统(BMS)。针对大容量蓄电池的自我监控系统具有高低压，高低温，和过流短路等多项常规保护功能和储备电量的测量功能。基于目前的研究状况大容量蓄电池的控制管理系统属于行业空白，本文提出了带有太阳能充电系统的大容量蓄电池控制系统原理框图如图1所示，本系统可以利用通信传感器技术实时显示蓄电池的状态，同时通过控制器控制蓄电池的充放电。本文提供充放电试验的结果，验证本文控制系统的正确性。

图1 系统原理框图

2 蓄电池管理系统组成

2.1 系统设计方案

电池由充电装置、蓄电池组、调压装置、配电开关和相关控制、信号、保护、调节等单元组成。系统具备遥控监视功能。

遥信：采集远程信息，包括充放电工作状态、馈线回路状态、电池工作状态、绝缘状态、交流电源状态；

遥测:远程监测，包括充电模块电压、电流、蓄电池组电压、电流、电池组及母线对地绝缘电阻。

遥控：远程控制

设计思路：当输出过载也即输出电流超出设定值时，能够自动切断电源的输出，实现电池的自身过载保护。对于这种过载或是短路发生在两极之间时，此设计响应更快，并且在过载或短路解除前这种状态持续可靠，而当短路或过载消失时，电池可实现自动恢复供电，不需要人为控制，这就是电池自我控制系统与常规的电池主要区别，在蓄电池内部正极串联了控制系统。

2.2 控制器的功能

控制器芯片是整个系统的核心部分。主要是对于蓄电池状态信号的采集、传输、处理，并通过蓄电池充放电的进行控制信号管理，系统采用ATmega16L,它通过单片机模式提供Flash、EEPROM和10位ADC的高效的8位RISC微处理器，数据吞吐高达1MIPS/MHz，可以减缓功耗和处理速度之间的矛盾。

蓄电池充放电电压监控

控制器可以实现对蓄电池单节电压,单组电池电压，和蓄电池整体的电压监控，测量数据采用RS485方式传输到采集设备。

蓄电池电流监控

通过互感器对充放电电流进行实时监测，测量数据采用RS485方式传输到采集设备。

蓄电池内阻、温度的监测

内阻采用SOC在线监测，对于蓄电池体的温度采用实时监控的方式，两个数据都通过RS485方式传输到采集设备。

显示控制程序：显示控制程序单元通过RS485通信总线对数据采集单元和内阻下发遥测命令。显示控制单元每隔15分钟对每个数据单元下发采集命令，并将采集的数据进行分析。

显示数据程序：显示控制单元不但对控制数据进行采集和数据上传，而且能够对于电池运行异常进行实时报警和分析，并给出蓄电池的性能曲线。

蓄电池运行出现异常时，本程序设有以下报警：蓄电池单体电压过高/低报警、蓄电池组电压过高/低报警，蓄电池电流过大报警、蓄电池内阻异常报警、蓄电池容量不足报警等。

3 蓄电池监控系统数据测试验证

设定蓄电池的标准电压值，利用标准仪表和控制系统共同测量相关蓄电池参数，对比结果如表1～3所示。

表1 电压测试数据

表2 电流测试数据

表3 内阻测试数据

以上测量结果说明，蓄电池的测量参数误差均在5%之内，均已达到预先的测量精度。

4 充放电试验

将模拟电源断开，变流器交流侧断路器闭合后进行蓄电池充放电试验，蓄电池和电网的能量相互交换，本次试验蓄电池侧DC/DC变换器采用电流控制方式，给定电流指令，通过反馈做差后经PI调节器得到占空比，从而控制双向DC/DC电路的充放电电流，充放电试验波形如图2所示。

图2 充放电试验波形

蓄电池容量为96Ah，蓄电池的充电指令为30A,放电指令为40A。蓄电池充电时，三相PWM整流器工作在整流状态，直流侧充电电流稳定在30A，蓄电池放电时，三相PWM整流器工作在逆变状态，直流侧放电电流稳定在40A。

5 结语

随着蓄电池在电力，通信等领域的广泛应用，蓄电池应用的合理性和管理的智能化成为广泛关注的问题，尤其是蓄电池内阻以及内部容量的快速计算已经成为研究热点。本文研究的这套系统主要采集蓄电池电压、电流、温度、内阻等重要参数，对蓄电池的运行状态进行实时监控，同时通过开关器件的控制进行电池充放电控制。测量和充放电对比试验结果证明，本文所提出的大容量蓄电池控制系统的正确性。

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Development of Large Capacity Battery Control System

WUBi,XUAo-ran,YANEr-kang,CHENGChong

(Shenyang Institute of Engineering,Shengyang,110136)

At present,the battery monitors (BMS) are mainly aiming at those batteries with small and medium capacity.With the development of the electronic switch technology and smart micro-grid technology,researching and developing the control system of batteries with large capacity for energy storage devices have become a problem demanding prompt solutions. This paper presents the control system of batteries with large capacity,which can also increase the safety,service life and service efficiency of batteries,and at the same time reduce the cost. The battery control system designed in this paper has the following functions:(1) Data acquisition for the battery management system;(2) functions of battery management system, having conducted the charging and discharging tests for battery grids, and verified the correctness of the system;(3) working principles,portfolio effects and merits and demerits of the battery management system.

battery management system；battery equalization；energy storage device

沈阳工程学院大学生创新创业项目； 电力学院大学生创新实验室

1004-289X(2014)02-0012-03

TM912

B

2014-03-10

吴比，男，主要研究方向新能源技术； 许傲然，男，沈阳工程学院电力学院讲师主要研究方向新能源技术； 闫尔康，男，沈阳工程学院电力学院学生主要研究方向新能源技术； 程翀，女，沈阳工程学院电力学院学生主要研究方向新能源技术。