基于STM32单片机并网储能电池恒温控制系统设计

姚明书 许晓峰 鞠振河

摘 要：近年来，新能源发电广泛并网，储能技术对于提高其电能质量与可靠性具有重要意义，进而成为电力系统的研究热点之一。蓄电池组作为储能系统的主要设备，其寿命，容量和安全性均与温度紧密相关。本文采用STM32单片机对并网蓄电池组的温度进行自动控制：温度采集，设定值设定，越值报警，制冷风扇与红外加热仪的控制。用户通过人机交互界面DWIN-LCD工业串口屏界面设定阈值数值，预调整温度等数值，所有数据自动上传至上位机，通讯速率达到9600bps，系统可及时动作。

关键词：储能；STM32单片机；人机交互界面；温度控制

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2018.24.109

0 引言

电池储能系统在电力系统中广泛应用，因其快速的对接入点的有功功率和无功功率进行调节，可用来提高电力系统的运行稳定性、提高供电质量，当其容量足够大时，甚至可以发挥电力调峰的作用[1]。近些来，新能源并入电网，储能技术平抑波形，提高电能可靠性与参与二次调频的优势已经初步体现。

作为储能最核心的蓄电池组的作用更是不可忽视，其最佳工作温度为15℃至25℃，温度下降时，电池反应速率降低，输出功率也会下降；温度上升时，虽然输出功率会上升，但若温度过高，则会破坏电池内部化学平衡，导致材料的性能会退化和循环寿命缩短[2-3]。但是我国北方冬天远低于15℃，南方夏天远高于25℃因此恒温控制系统对于维持蓄电池的使用寿命和输出功率至关重要。

1 硬件系统设计

1.1 硬件需求列表

蓄电池金属箱体1个；PLC模块1块；温度传感器1个；数码管2个；红外加热仪2个（1、2加热档各一个）；制冷风机2个（1、2加热档各一个）；蜂鸣器1个。

1.2 硬件结合方式

硬件主体为蓄电池金属箱体。

在箱体内部将蓄电池架空安置，与红外加热仪及风机保持一定距离。

在箱体底部内测安装红外加热仪。

在箱体顶部外侧安装制冷风扇，采用分离装置，将风扇的叶片对准分离装置，以便冷风流通。本设计的重点为当制冷风扇产生火花时，分离装置避免了蓄电池的明火引燃。蓄电池在充电过程中两极产生H2和O2，当H2浓度达到4%至76%时引起易燃。

温度传感器设置在电池架位置予以固定；两个数码显示管和蜂鸣器安装于蓄电池金属箱体外侧。

STM32 虽然内部自带了温度传感器，但是因为芯片温升较大等问题，与实际温度差别较大，所以，本产品通过 STM32 来读取外部数字温度传感器的温度，来得到较为准确的环境温度，通过它来实现 STM32 和外部温度传感器（DS18B20）的通信，并把从温度传感器得到的温度显示在 LCD 屏上。DS18B20 是由 DALLAS 半导体公司推出的一种的“一线总线”接口的温度传感器。与传统的热敏电阻等测温元件相比，它是一种新型的体积小、适用电压宽、与微处理器接口简单的数字化温度传感器。一线总线结构具有简洁且经济的特点，可使用户轻松地组建传感器网络，从而为测量系统的构建引入全新概念，测量温度范围为-55～+125℃ ，精度为±0.5℃。现场温度直接以“一线总线”的数字方式传输，大大提高了系统的抗干扰性。它能直接读出被测温度，并且可根据实际要求通过简单的编程实现 9～12 位的数字值读数方式。它工作在 3～5.5 V 的电压范围，采用多种封装形式，从而使系统设计灵活、方便，设定分辨率及用户设定的报警温度存储在 EEPROM 中，掉电后依然保存。

2 系统软件设计

2.1 运行方式

根据以上并网蓄电池温度控制系统的软件设计。

2.2 功能实现

（1）传感器数据显示。

（2）设定值设定，可以根據不同需求和情况对阈值参数进行设

定，分为手动控制和远程操控两种操作方式。

（3）自动制冷调节，单片机实时采集当前温度，当温度高于设定值时，单片机内的算法会自动对偏差值的大小进行制冷模式的选择：

温度偏差5℃之内，relay1打开，启动1档制冷风扇，冷气流动较慢，可准确地调节恢复箱内温度，实现“涓流控制”直至温度回复到设定值，冷却停止；

当温度偏差5℃至10℃，relay2打开，启动2档制冷风扇，风扇调制2档，冷气流动较快，可较快的调节箱内温度，当温度偏差减至5℃内时，风扇自动转至1档，直至温度回复到设定值，冷却过程停止；

当温度偏差10℃以上，relay1，relay2均打开，同时启动2台制冷风扇，冷气流动快，当偏差逐渐减少至（2），重复上述调节过程。

本次紫金桥仿真拟用20℃作为设定值。

（4）自动加热调节，过程与制冷调节相似，在此不进行赘述。

（5）反馈调节，由于并网蓄电池的温度传感和调节实时进行，只要实时温度不等于设定值温度，循环调节就会进行PID调节，直至达到设定温度。

（6）故障控制，为防止系统出现故障，加入越值报警功能，晶振时钟会记录系统动作时间，若调整时间超过正常工作时间的1.8倍，系统仍未调整至最佳工作温度，启动继电保护状态即关断所有继电器，蜂鸣器启动报警，提醒用户进行动作。主要应用在故障控制和应急情况。并切换手/自动切换模式，可作用于自动模式下的温度调节故障或机组故障引起的参数突变的应急等。

3 结论

本文主要针对并网蓄电池不同等级的加热或制冷进行实时调节。

此外本系统具有如下优越性：

（1）该装置结构简单，操作便捷，蓄电池温度控制箱自主实现温度调节，确保了蓄电池的安全稳定运行。

（2）该装置将实时状态就地及在上位机上同时显示，集中调度，控制。

（3）该装置可就不同地域变化参数，可兼容诸多功能，且可加入至现有的并网程序中。

（4）该装置采用屏幕内嵌入柜布局，在使用透明柜门保证操作员观察地前提下，使得LCD屏幕处于恒温环境内，并避免了室外环境对屏幕的损毁，有效地长期维持LCD屏的触控灵敏度并延长屏幕使用寿命。

（5）具有较强的通用性，程序和硬件稍加改动，即可应用于其他恒温控制场合，如高压开关柜等。

参考文献：

[1]孙辉，吴红斌.分布式发电系统中蓄电池的建模与并网特性仿真[C].中国高等学校电力系统及其自动化专业学术年会，2009.

[2]陈贵峰.基于ARM9的蓄电池管理系统的研究[D].河北农业大学， 2011.

[3]周俊成.电池管理系统设计研究[D].哈尔滨工程大学，2015.

本论文基于辽宁省教育厅团队创新项目（LT2016015）及国际太阳能十项全能竞赛（H18006）

作者简介：姚明书（1995-），女，辽宁抚顺人，硕士研究生，主要研究方向：电力系统运行、分析与控制。