磷酸铁锂储能电池管理系统设计

宋春宁，童广浙，林小峰

(广西大学电气工程学院，广西南宁530004)

磷酸铁锂储能电池管理系统设计

宋春宁，童广浙，林小峰

(广西大学电气工程学院，广西南宁530004)

结合储能电池的特点，设计了一套基于PC104和飞思卡尔MC9S12单片机的电池管理系统。提出了电池管理系统整体设计方案，给出了具体的硬件设计和软件设计。实现对电池电压、电流和温度的监控，CAN总线和RS232串口通信的设计和电池荷电状态(SOC)的估计。

MC9S12；储能；电池管理系统；CAN通信

近年来，随着传统能源的枯竭和环境保护的要求，全球新能源正加速发展。2011年，全球风电、光伏的装机容量已分别达到238和28 GW。根据发展预测，到2020年，全球风电、光伏将分别达到1 260和200 GW[1]。但是由于受到气候条件变化等的影响，风电、光伏等新能源发电表现出波动性、间歇性、随机性等特点，对接入电网的稳定运行造成极大影响[2]。应用电池储能技术可以实现削峰填谷，平衡电力负荷，提高供电可靠性，改善电能质量，很大程度克服了新能源发电的缺点[3]。

在储能电站中，磷酸锂铁电池储能电站具有占地面积小、效率高、转换快、安全可靠、运行灵活、环境友好、维护简单、建设工期短等特点[4]。随着磷酸铁锂电池成本的降低，磷酸锂铁电池储能电站必将成为储能技术的热点和重点。研究储能电池的电池管理系统(BMS)是实现储能技术的基础和关键。它能延长储能电池的使用寿命，降低使用成本，提高使用效率和使用安全，并能记录和查询使用数据。

1 总体设计方案

由于储能电池数量庞大，为了使用安全和效率，本设计采用了以12个180 Ah单体电池串联为一组的成组模块化技术。相应的储能电池管理系统分为两级，总电池管理系统检测电池组的总电压、电流数据，接收子系统的数据并通过以太网和串口分别在监控主机和工业现场人机界面上显示所有电池的参数，估计电池组的荷电状态 (SOC)，并与电力转换系统(PCS)实现互联，负责接入电网。

总电池管理系统采用PC104工控主板结构，PC104系统采用了多个功能模块板进行互相堆栈的形式，占用空间非常小，功耗也比传统PC低得多。PC104硬件资源非常丰富，使用PC104省去了AD转换模块、CAN通信、以太网、RS232通信等模块的硬件电路设计，提高了系统设计的效率和可靠性，减少了设计的成本和复杂性。PC104比一些单片微处理器更适合于需要大量数据处理、高速传输网络、人机界面显示和高可靠性的场合。图1为储能电池管理系统结构示意图。

图1 储能电池管理系统结构示意图

BMS子系统检测单体电池的电压、电流和温度，估计单体电池的SOC，并把数据通过CAN总线发送到上级管理系统中进行监控界面显示和进一步数据处理。在BMS子系统中，采用Freescale的16 bit微处理器MC9S12XS128作为系统的微控制器 (MCU)。其片内集成了所有设计时需要的模块，包括SPI通信、AD采集、SCI通信、CAN总线等，不需要外部扩展就可以实现BMS所有的功能。

BMS工作时，电压采集芯片LTC6802-2采集电池组单体电池的电压并通过SPI把数据传输给MCU，霍尔电流传感器检测电池组的工作电流通过MCU的A/D转换模块转换成电流参数，温度传感器18B20通过单总线结构实现多个级联并由MCU的I/O口实现温度的转换和读取。MCU通过实时的电压、电流参数估计电池的SOC，通过RS232串口把数据传输到上位机，并把数据和上位机软件系统上设置的上下限警报数据进行对比。当达到警报值时，在上位机上显示警报信息并使MCU通过控制电路控制实现电池组通断等安全操作，在工业现场可以安装触摸液晶显示屏实现现场的实时监控。MCU通过CAN总线接口实现多个子系统和总系统的互联。图2为BMS子系统设计方案框架图。

图2 BMS子系统设计方案框架图

2 硬件电路的设计

2.1 电压采集

每片LTC6802-2可以同时测量12个锂电池的电压(最高电压不超过60 V)，是一个完整的带12位数模转换、精确参考电压、高压多路输入和SPI接口的电池电压检测芯片。每片LTC6802-2自带4位地址位，可以扩展到最多16片芯片，特别适合大量储能电池的检测。多个芯片连接时，它们能同时工作保证所有电池在13 ms内得到测量。图3为第一片LTC6802-2电路连接示意图。

2.2 电流采集

相对于电压、温度其他物理量，电流监测具有以下特点：其一，电流的采样通道少。储能电池往往串联使用，各电池的工作电流相同，只需对总电流进行监测。其二，电流的采样频率高。电流的采样频率对SOC的估计精度和系统的安全性都有重要的影响，因此应保证电流的高采样频率。

图3 第一片LTC6802-2电路连接示意图

由于采用分流器测电流存在热损耗和隔离的问题[5]，本设计采用基于霍尔传感器的电流监测。霍尔传感器集成了放大电路，只需向放大电路供电就可以精确地采集电流。霍尔电流传感器输出电压-5～5 V，精度为±0.5%，使用MCU的12位A/D转换模块进行实时转换。

2.3 温度采集

在对电池的SOC进行估计时，必须考虑温度的影响，因为在不同的温度下，电池放出的电荷是不同的。温度高时，电池电化学反应速率增加，释放的能量也相应增加。但是温度过高，会导致电池膨胀，外壳破裂，发生漏液，严重时导致燃烧并爆炸。温度过低，电解液可能冻结，电化学反应降低，电池性能严重下降[6]。BMS中，对单体电池、环境温度和电池箱温度进行温度监测，温度过高时采用并行风冷系统进行降温，达到警戒值时通过控制电路直接断开充放电回路开关并报警。温度过低时，采用暖风机或提高室温等方式温和升温，保证电池工作在适合温度之间，这对SOC的评算和电池的安全保护都非常重要。

温度检测的方案主要有热敏电阻方式、18B20方式、专用芯片如DS2782方式等。考虑到成本、精度、设计难度等，本设计采用18B20。18B20的检测温度范围为-55～+125℃，最高可达12位分辨率，12位分辨率时的最大工作周期为750 ms，精度为±0.5℃，采用全数字温度输出和先进的单总线数据通信。应用单总线方式级联多个传感器，可以实现对多点温度同时采集。

2.4 CAN通信

CAN通信是一种技术先进、成本低廉、安全可靠、功能完善的网络通信控制方式。CAN总线是唯一成为国际标准的现场总线，也是国际上应用最广泛的现场总线之一[7]。

将当前大修凝汽器磁性过滤器沉积物的重量与历次进行比对，如图4所示。图4中横坐标为机组大修周期，纵坐标为磁性过滤器吸附总量和日均吸附量。图4表明，随着机组的不断运行，磁性过滤器吸附量总量和日均吸附量在整体上呈现不断减少的趋势，经计算，第11次大修的吸附量总量和日均吸附量分别为第2次大修时吸附量的0.35倍和0.26倍，这表明在现行的水化学工况下，二回路腐蚀产物不断减小。

本设计中采用MCU自带的CAN控制器，CAN收发器为Philips公司的TJA1050。为了加强设计的通用性和可扩展性，CAN协议采用国内机械标准JB/T 11138-2011锂离子蓄电池总成接口和通信协议。图4为单体锂电池状态报文，CID为报文标识符，CHAR-MODE和BMS-MODE为电池类型、工作状态等电池状态标识码。

图4 单体锂电池状态报文

CAN模块的设计包括初始化、发收数据、检错校验。CAN初始化完成后进入了工作模式，将电压、温度等数据按照报文格式写入CAN发送缓冲器中等待发送，发送的数据帧包含帧起始、仲裁场、控制场、数据场、CRC场、应答场和帧结尾，得到发送请求后把数据发送出去。CAN模块的数据接收环节也要同样初始化，设置相同的CAN总线频率，通过标识码和校验码的识别后决定是否接收数据，最后按优先级顺序完成接收数据。

3 系统软件设计

微处理器上的程序设计使用飞思卡尔CodeWarrior编译环境。微处理器上主要的程序为硬件初始化、数据采集、通信配置、故障警报、数据存储等，根据不同的功能分成不同的模块，提高程序的可读性和效率。图5为微处理器软件设计的流程图。

图5 微处理器软件设计的流程

上位机使用VC6.0进行监控界面的设计和开发，开发界面使用MFC(Microsoft Foundation Classes)，显示电池所有的参数。

监控人机界面采用Kinco公司的EV5000系列工业嵌入式触摸屏人机界面，使用eView组态编辑软件开发界面。人机界面的主要功能有实时显示监控电池的电压、电流和温度参数、显示电压变化曲线、显示电池状态、设置和显示警报等。人机界面主页面如图6所示。

图6 液晶监控显示界面

4 SOC电量估算

SOC值的大小直接反映了电池所处的状态。为了解决一般SOC估算不能准确计算的问题，本设计采用基于安时法配合开路电压法进行SOC估算，这两种算法的配合可以有效控制SOC计算误差，保证电池的工作效率，提高使用寿命。

安时法是最常用的SOC估计方法。如果充放电起始状态为SOC0，当前状态的SOC为：为额定容量，为电池电流，η为充放电效率。在安时法应用中如果电流测量不准，将造成SOC计算误差逐渐积累，最终导致误差越来越大，电池充放电效率对测量误差也有影响。

开路电压法是利用开路电压和SOC成一定的关系来估算SOC。磷酸铁锂电池的开路电压与SOC关系的线性度在充放电初期和末期比较好，其它充放电期间的线性度较小，难以准确估计SOC。这里采用安时法结合开路电压法，在充放电初期和末期采用开路电压法矫正安时法的积累误差，在充放电中期主要采用计量准确的安时法，可以得到较为理想的精度。

5 结论

该文设计开发了磷酸铁锂储能电池管理系统，通过实际电池的测试和实验实现了实时检测各种运行参数、数据传输、故障诊断和报警等功能，为储能电池的应用提供了基础。

[1]王文亮，秦明，刘卫.大规模储能技术在风力发电中的应用研究[C]//第十二届中国科学技术协会年会论文集.福州：第十二届中国科学技术协会年会，2010:1-6.

[2]田军，朱永强，陈彩虹.储能技术在分布式发电中的应用[J].电气技术，2010(8):28-32.

[3]强占云，鞠建永，吴福保，等.适用于分布式发电的储能技术比较[J].农村电气化，2011(4):58-60.

[4]俞恩科，陈梁金.大规模电力储能技术的特性与比较[J].浙江电力，2011(12):4-8.

[5]胡银全，刘和平，张毅，等.磷酸铁锂动力电池组容量损耗分析[J].武汉理工大学学报，2011,33(9):130-134.

[6]李哲，韩雪冰，卢兰光，等.动力型磷酸铁锂电池的温度特性[J].机械工程学报，2011,47(18):115-120.

[7]连子峰，郑杭波，齐国光.基于CAN总线的分布式电池管理系统[J].电源技术应用，2003,6(1):41-44.

Design of LiFePO4storage battery management system

Combined with the characteristics of energy storage battery,a battery management system base on PC104 and MC9S12 freescale microcontroller was designed.An overall design scheme of the battery management system was put forward,and a specific hardware design and software design were given.The monitoring of battery voltage, current and temperature were realized.The design of CAN bus and RS232 communication and the estimation of the state of charge were achieved.

MC9S12;energy storage;battery management system;CAN communication

TM 911

A

1002-087 X(2015)10-2096-03

2015-03-18

宋春宁(1969—)，男，广西省人，硕士，副教授，主要研究方向为智能控制与电力电子技术。