光伏混合动力电池实时管理系统的设计

龙 芬

光伏混合动力电池实时管理系统的设计

龙 芬

随着经济的发展，全球电能需求每年都在增加，目前大多数电能是通过煤、天然气和石油生产出来的，这些传统的生产方式会直接影响并污染环境。 因此，来自混合可再生能源的电能已经成为新的可替代的供电方式。

混合可再生能源系统(HRES)由于可再生技术的进步和石油产品价格的提高而在偏远地区的发电中变得流行。HRES通常由两个或多个可再生能源组成，一起使用以增加系统的效率和平衡电能输出。 最常用的HRES类型是耦合到发电机的光伏(PV)阵列。混合能源系统通常比独立的光伏系统产生更大的经济和环境回报。如在夜间或在云覆盖下，当PV不能发电时，为了稳定HRES，这时就需要能量存储系统补充发电。

一般HRES能量存储单元就是电池系统。这些电池存储系统的重要指标就是性能、寿命和耐久性。因此，在这些应用中需要电池管理系统(BMS)来控制电池的工作条件，稳定系统并延长电池的使用寿命。

1 应用于可再生能源系统的电池类型对比

任何类型的电池都可以用于可再生能源系统中。但是通过比较铅酸，镍镉和镍铁电池，发现最常用于可再生能源系统的电池类型是深放电铅酸电池。从表1所示的三种类型电池中可以看出，铅酸电池在价格、性能和电池寿命这几个方面是最有优势的。

表1 三种电池类型的比较

2 铅酸电池理论

铅酸电池经常用于电动自行车和其他不太关注于重量的场合。在20世纪70年代，阀控式铅酸电池(又名密封铅酸电池)被开发出来；凝固的电解质替代了液态电解质，使电池可以应用在不同的地方而不会引起泄漏。

电池的放电状态、正负极材料都是硫酸铅(PbSO4)，电解质主要是水和稀硫酸。放电过程其实就是负极金属的电子通过外部电路迁移到正极的过程。电池充电后，每个单元的硫酸电解质中都包含有负极板上的Pb离子和正极板上的PbO2离子。电池充电过程就是把外界电源的电能转为化学能储存起来的过程，正极板在外界充电电源的作用下，强行迁移电子到充电电源，而负极板上则由充电电源导入电子。铅酸电池的类型多样，但最适合可再生能源系统的电池类型是深放电型，因为这种类型的电池能在很长时间内连续提供电力，且在不损坏电池的前提下放电总量可达电池总量的80%。

3 荷电状态估算方法

荷电状态(SOC)相当于电池组的一个电量指标。SOC的单位是百分比，0%即空的状态，100%即满的状态。另一种形式的相似的衡量指标是放电深度(DOD)，DOD=1-SOC (即SOC为100%的，DOD是空的状态，SOC为0%的，DOD为满的状态)。SOC通常用于讨论当前电池的使用状态，在讨论重复使用后的电池寿命时最常使用的指标是DOD。

状态估计在电池管理系统(BMS)中必须精确，因为BMS系统是通过控制电池的性能来延长其寿命的。但在实际应用中，由于混合系统中的负载是不稳定的，因此直接估算SOC是不准确的。为了提高电池的性能和可靠性，在电池管理系统中，估算电池的荷电状态是非常有必要的。而今有许多估算荷电状态的的算法，因此，我们对不同的SOC估算技术进行了对比，如表2所示。

表2 SOC估算技术对比

通过以上对比与分析，本文给出了一种基于库仑计数的SOC估算方法，并将其应用于PV-hybrid电源的电池电管理系统中，因为这种方法在负载不稳定的情况下能被实时的监控，并且容易计算。

4 基于库仑计数的SOC估算技术

荷电状态通过测量电池的电流并通过积分来估算。然而，这种方法的缺点是时间长了会漂移以及缺乏参考点。因而，SOC必须定期进行校准。比如，当充电器确定电池是充满电的时候，通过重置SOC到100%。对实时估算来说，通过传感器获得实时测量值和初始化的100%SOC,再采用如下公式进行估计。

SOC(t)=实时充电状态,SOCinit=初始充电状态,i(t)=实时放电电流,Cn=电池容量。

5 电池的退化因素

a.环境温度效应：铅酸电池由氧化铅正极板和负极板组成。而两块板都浸在硫酸中，温度会影响板的腐蚀和退化率。温度说明由IEEE11 84给出。

b.浮充电压：与目标的充电电压不同的电压会影响极板的退化。当浮充电压在电池的目标电压之下，电池将会遭到正负极板的硫化。如果浮充电压超过目标电压，则电池会存在脱水现象。

c.循环放电：重复循环放电会导致电池退化。因为电池的退化，电池的极板将出现腐蚀现象。

6 电池管理系统设计

基于铅酸电池的基本理论、荷电状态估算技术以及确定电池退化状态的方法，我们将设计一种新的电池管理系统，该BMS设计程序如图1和图2所示。图1为电池控制和SOC估算程序图，图2是BMS监控显示界面。如图2所示，监控界面由四个组成部分所组成：第一部分显示电池的电压和负载电流；第二部分显示电池电压、PV电压、PV充电电流和DC发电机充电电流产生的数字值；第三部分显示电池的SOC图像，如果系统检测到故障，第四部分将发出警报，以便管理员可以实时分析和对系统作出反应。

图1 电池控制和SOC估算程序

图2 BMS监控显示界面

电池管理系统通过数据采集，进行电管理、热管理、安全管理，从而确定电池的状态。

6.1 数据采集

所有的算法均使用BMS的测量数据作为输入信息。因而，精度、采样率和前置滤波器的特性是BMS的关键和依赖。BMS还可以处理BMS与其他车载和车外设备之间的通信。这取决于具体的应用，不同的接口可能用于不同的数据交换。本设计主要应用于局域网中，LAN使用DAQ-9188和模块NI9335、NI9227、NI9211以及NI9401,如图3所示。

图3 库仑计数法的数据采集模块

6.2 电管理

电管理系统的输入参数是电流、电压和SOC。本系统在电管理方面主要控制充放电的过程。

6.3 热管理

对大多数的高功率和高温电池来说，热管理是必需的。热管理系统等价于电池的温度管理和必要时的降温措施。基于液态和空气的降温系统经常被使用，电池工作在35度、50度时停止工作。

6.4 安全管理

安全管理系统保护电池处于合理的工作条件下。本设计采用的约束如下：

1) 深度循环放电的控制标准是当电池电压达到80%DOD时停止电池的运行；

2) 过充电电压的控制标准是控制电池电压不能超过115%的额定电压。

6.5 电池状态确定

对管理系统来说，电池的状态是关键的输入参数。本文通过库仑计数法来确定电池的SOC。应用库仑计数法的BMS结果将与在实验室中使用12 V、5.5 A的铅酸电池采用如图4所示的MTB-series电池模块标准的测试结果进行对比。当放电电流是1 A时，测试的对比结果如图5所示。

通过图5的比较可知，从100%开始，库仑计数法相对于MTB系列估计具有10%的误差。

图4 基于MTB-series的SOC计算

图5 LabVIEW中SOC和MTB的比较结果

7 结论

本文提出了一个用于PV-hybrid动力电源的实时BMS。该BMS采用库仑计数法，设计了保护系统、控制系统和监控系统。电池的数据采集使用的是LabVIEW8.5和Nic DAQ-9188模块，还可将其作为其他系统的输入参数。在实时系统中，SOC估算使用的是库仑计数法。该方法已经通过MTB系列电池的测试被验证。两个系统的误差约在5%左右。当系统检测到错误时，将会发出警报，同时管理员能够分析和对实时系统做出反应，使系统稳定并延长电池的寿命。

[1] 姜久春.电池管理系统的概况和发展趋势[J]. 新材料产业，2007(8)：40-43.

[2] 林成涛,王军平,陈全世.电动汽车SOC估计方法原理与应用[J].电池,2004(5)：376-378.

[3] 陈全世,林成涛.电动汽车用电池性能模型研究综述[J].汽车技术,2005(3)：1-5.

[4] 姜国权.电动汽车动力电池管理系统的研究[D].上海: 上海交通大学，2009.

责任编辑 俞 林

(咸宁职业技术学院 工学院，湖北 咸宁 437100)

本文利用库仑计数法设计了一种应用于光伏混合电源的实时电池管理系统。首先对系统中使用的电池类型进行分析。接着分析充电状态(SOC)估算方法和电池的劣化因素。最后构建包括计算机测量和控制单元在内的整体电池管理系统。利用LabVIEW 软件中丰富的数据分析与处理功能编写上位机程序来监测系统的充电状态，显示实时信息。当检测到故障时，系统将发出警报，管理员可以实时分析并对系统做出反应，以稳定系统并延长电池寿命。

BMS； SOC； 库伦计数； 光伏混合电源

Real-time Manage System Designed for PV-hybrid Power Battery

LONGFen

(Technical Faculty, Xianning Institute of Technology, Xianning 437100, China)

A real-time system of battery management is designed by coulomb counting method with PV-hybrid power. Firstly, to analysis which kind of battery is been used in the system. Secondly, the situation of the state-of-charge (SOC) is been checked. Finally, the manage system of battery is constructed by computer measurement. Through LabView software to monitor the charge status, when a fault is detected the administrators can get the warning on time. The real-time feedback is a useful way to stabilize the manage system and extend battery life.

BMS; SOC; coulomb counting; PV-hybrid power

2016-09-23

咸宁职业技术学院院级课题“3.3 kW电动汽车智能充电桩的设计”(2016B012)

龙芬(1984— )，女，湖南祁东人，讲师，研究方向：自动测试系统与虚拟仪器。

10.13750/j.cnki.issn.1671-7880.2017.01.016

TM 912

A

1671-7880(2017)01-0057-04