BIPV 储能电池组状态监测系统设计

石怀学 （1.中铁建设集团有限公司，北京 100040；2.中铁建设集团华东工程有限公司，江苏 昆山 215332）

随着社会经济的快速发展，中国已是世界上最大的能源消费国，能源短缺问题日趋严重，提高清洁能源等非石化能源的占比至关重要，太阳能分布广泛、储量巨大，是一种优质的可再生清洁能源，越来越受到国家政策的支持。随着大型集中式地面电站建设开发的饱和，BIPV（Building Integrated Photovoltaic，光伏建筑一体化）电站等分布式光伏应用将成为我国太阳能应用的重点发展方向[1]。BIPV 作为绿色建筑的主流形式，代表了城市和建筑能源发展的未来趋势。储能型 BIPV 通过蓄电池组对能量进行存储和缓冲，具有较好的削峰填谷做好用，对电网的电能质量影响小，并可最大限度的发挥就地发电就地消纳的地域均衡优势。徽尚广场项目，是一栋超高层办公商业综合体建筑，建筑高度达128 m，幕墙高度达 148.3 m，有着强大的光照强度和光照面积及风能采集高度优势，拟采用该项技术。

电池组是储能型光伏电站的基础装备，电池组的状态对发电系统的能效和安全等具有决定性的影响，因此储能电站的蓄电池组需实时监测蓄电池组的各状态量，以保证电池组的安全运行、延长电池组使用寿命、提升储能型 BIPV 的综合能效[2]。

1 总体结构设计

蓄电池组的核心运行参数包括蓄电池电压、充放电电流、蓄电池温度。蓄电池电压受活性物质含量的影响，表征了蓄电池的剩余容量；充放电电流表征了电化学反应的烈度，适当的充放电电流对延长蓄电池寿命具有重要意义；蓄电池温度受电池内阻和工作电流的影响，表征电池的安全状态和健康状态[3]。某 BIPV 试验电站储能电池组采用 24 V 100 Ah 的 VRAL 铅酸蓄电池，扩容结构为 10 串 2 并，最大充放电电流为 0.1C，为了实现远程储能电池组单体电压、充电电流、放电电流和单体电池温度的监测，设计了结构如如图 1 所示的状态监测系统。

图1 蓄电池状态监测系统结构框图

2 硬件设计

2.1 CC2530核心电路

系统控制核心采用 CC2530 芯片，该芯片集单片机、ADC、无线通信模块于一体，满足电池电压采集、电流采集、温度采集、无线通信和低功耗的软硬件功能需求。电路如图 2 所示，CC2530 的 P0 口设置为模拟量输入端口，用于采集电压电流信号；CC2530 的 P1 口设置为数字量输入输出端口，用于系统控制和温度数据通信。

图2 CC2530核心电路

2.2 多通道模拟开关控制电路

CC 2530 片内集成了 8 通道 ADC，但由于被测电池组有20 个单体电压需要监测，超过了 CC2530 的固有资源，因此通过多通道模拟开关 ADG 732 来选择各被测电压，通道选择由 CC 2530 的 P1.0～P1.4 各引脚的逻辑状态确定。电路如图 3 所示。

图3 多通道模拟开关控制电路

2.3 电池组及系统供电电路

储能电池组的构成如图 4（a）所示，电池 BAT 1～BAT 10和电池 BAT 11～BAT 20 分别串联成支路后并联，电阻 R5 和R 6 为各支路的电流采样电阻。

为了协调串联电池组各单体电池的共模电压和电压检测电路的输入范围，系统以串联电池组中的第 5 个电池 BAT 5为供电基准，电池组中各电池相对于 BAT 5 负极的偏置电压均在单体电池电压检测变换电路的输入许可范围之内。系统所需的 ±15 V、±5 V 和 3.3 V 转换电路如图 4（b）所示。

图4 电池组及系统供电电路

2.4 蓄电池电压检测电路设计

单体电池电压检测变换电路通过高共模输入的差动运放 INA117 实现，该芯片的许可的共模电压为 ± 200 V，在电源电路的配合下，可满足本项目储能电池组的电压监测需求。具体电路如图 5 所示，各电池的正极接至运放 INA117的同相输入端，电池的负极接至运放 INA117 的反相输入端，运放输出值即为该被测电池两端的电压差值；为了匹配CC2530 内置 ADC 的输入范围，模拟开关输出端通过精密低温漂电阻进行了分压。

图5 蓄电池电压检测电路

2.5 电流检测电路设计

电流检测采用 50 mΩ 精密采样电阻，采样电阻两端的电位差经前级差动放大器 INA117 求差后再由后级运放OP07 放大，电路如图 6 所示。由于 INA117 具有极高的输入阻抗，可以有效避免放大器电阻网路对被测电流的影响；电阻 R4 和电阻 R3 的阻值比为 1.5，后级运放所接的VREF 为0.6 V，由 REF3120 稳压芯片的输出经电位器分压得到；当被测电流在 ± 20 A 的额定范围内时，后级输出 VISI1的范围为 0～3 V，接至 CC2530 的 P0.1；另一路电流检测电路结构相同，将 BAT11- 和 BAT- 之间的点位差转换成 VIS2输出至 CC2530 的 P 0.2。

图6 电流检测电路

2.6 温度检测电路设计

温度检测传感器采用数字式温度传感器 DS18B20，DS18B20 片内固化全球唯一的 64 位 ID 号作为独立标识。微处理器可根据该 ID 号辨识和区分总线上的器件，从而允许多只 DS18B20 同时挂接在一条单线总线上，因此，可以很方便地实现多点测温。各传感器采用并联方式导热硅脂贴装于各 VRLA 的正极接线柱上，电源及信号线采用 3 芯屏蔽线。电路如图 7 所示，温度检测传感器的信号线 DQ 接至CC2530 的 P1.7 端口，由于 DS18B20 的信号线 DQ 在温度检测传感器片内为开漏结构，因此配置了 4.7 K 的上拉电阻；芯片供电为 ＋3.3V，以便于和 CC 2530 的逻辑电平相匹配；为了确定温度检测传感器和蓄电池的对应关系，本项目在调试过程中通过手持加温的方式逐个对芯片进行了识别和匹配。

图7 温度检测电路

3 软件设计

系统的软件功能包括蓄电池电压采集、电流采集、温度采集和 ZigBee 通讯管理，系统软件的总流程图如图 8 所示。初始化模块负责完成 CC2530 的 P0 口和 P1 口功能初始化、定时器初始化、模拟开关通道初始化、无线功率设置和信道设置；DS18B20 枚举识别模块负责确定系统内所有DS18B20 的 ID 识别；循环体包括电压监测模块、电流监测模块、温度巡检模块和数据发送模块；电池电压巡检模块完成多通道模拟开关选通控制、ADC 转换和标度变换；电流检测模块完成两个支路充放电电流的 ADC 转换和标度变换；温度检测模块通过所枚举识别出的 DS18B20 的 ID 号，依次读取温度值；数据通信则负责将上述监测数据发送至监控端；为了降低系统的能耗，循环体中增加了延时模块。

4 结 语

基于 CC2530 和电压电流温度检测电路，实现了 BIPV储能电池组的远程状态监测，为 BIPV 电站的智能运维提供了实时数据支持。通过 HIOKI 3238 万用表和 FLUKE51-II 测温仪对系统的监测数据进行了比对，比对结果表明系统监测数据的准确性和稳定性达到了施工方的设计要求，是一种低成本高压电池组监测解决方案。未来将完善集中监控端的软硬件设计，并对监测端进行扩容，以满足更大功率容量的BIPV 储能电站蓄电池组的状态监测需求。