風力發電變槳智能電池管理系統設計

劉 道，龍 辛，龐 偉，汪雅果

（1.湘潭大學 信息工程學院，湖南 湘潭 411105；2.湘電風能有限公司，湖南 湘潭 411102；3.長沙金博聯信息技術有限公司，湖南 長沙 410008）

0 引言

自2010年1月以來，全國在運行風電場中發生了數起由變槳系統備用電源（蓄電池組）引發的風電機組倒塌事故。事故表現為變槳系統失電后，由于備用電源失效，風電機組未能實現順槳動作，導致機組超速而發生機組倒塌事故，造成巨大損失。為防止同類事故再次發生，中國可再生能源學會風能專業委員會組織相關專家通過深入分析，提出了采用性能良好的備用電池管理系統來預防。本設計利用32位ARM微控制器STM32F103實現對鉛酸蓄電池的智能管理，包括系統自檢、對電池組進行巡檢、快速充放電、溫度監測控制、顯示與報警等。設計的備用電池管理系統功能完善，安全可靠，抗干擾能力強，成本低，具有良好的應用價值。

1 智能電池管理系統

本文設計的智能電池管理系統采用了性價比很高的STM32F103芯片，其主要功能有：①實現對風力發電機變槳控制系統蓄電池組的巡檢功能；②實現循環充電、浮充自動切換，在循環充電和浮充的同時對電壓和電流進行監控，具備充電電壓、充電電流自行調整的功能；③實現故障報警功能；④實現充電電池的過流、過壓、短路保護功能；⑤實現智能管理單元的溫度監測與控制功能。

本文設計的智能電池管理系統結構框圖如圖1所示。

2 系統硬件設計

2.1 充放電電路設計

為保證每一節電池都能正常儲能，本智能電池管理單元需要對12節電池循環充電，循環充電思路如下：系統對電池組自檢后，將對各電池進行電壓采樣并排序，通過控制對應的繼電器，系統將優先對電量最低的電池充電，并由低到高對電池組完成充電，每次充電結束后將再次對電池組進行巡檢，直至整個電池組的電池不需要充電為止。

圖1 智能電池管理系統結構框圖

采用TI公司的BQ2031SN-A5芯片來實現對鉛酸電池快速充電。每節電池單次充電時間上限為15min，充電的同時對電壓和電流進行監控，并通過LED顯示快充、浮充、充滿的狀態。當電壓低于10.5V時，0.4A恒流充電；當電壓大于10.5V時，2A恒流充電（注：電流不會變化的條件下）；當檢測到電流減小且大于0.2A時，進入到恒壓充電，恒壓充電的電壓大約為14.7V；當檢測到電流小于0.2A時，進入浮充狀態，此時為恒壓充電，充電電壓為13.7V。這種充電方法比傳統的恒壓充電法安全，能耗比恒流充電法低［1］。

充電過程如圖2所示，充電控制電路原理如圖3所示。

系統通過接插件（J200）外接大功率黃金鋁殼電阻進行放電，該電阻阻值為20Ω，功率為25W，能允許通過1A的放電電流，原理設計如圖4所示。

2.2 溫度控制設計

鉛酸蓄電池的電壓具有負溫度系數，即溫度每升高1℃，單格電池的電壓將下降4mV。由此可知，環境溫度為25℃時，充電器的工作很理想；當環境溫度降到0℃時，電池就不能充電；當環境溫度升到50℃，電池將因嚴重過充電而縮短壽命［2］。因此，電池管理系統必須對蓄電池環境溫度進行控制。

圖2 充電過程示意圖

圖3 充電控制電路原理圖（部分）

圖4 放電控制電路原理圖

模塊溫度控制為智能電池管理單元擴充功能，該功能主要由溫度采集及散熱兩部分組成，溫度采集采用AD7416AR芯片，該芯片供電電壓為＋3.3V，10bit ADC轉換精度，檢測溫度范圍為－40℃ ～ ＋125℃。當模塊溫度過高時，系統將啟動風扇對模塊進行散熱。風機主控系統具有對智能電池管理單元的機箱加熱的功能，因此當模塊溫度過低時，智能電池管理單元可以通過告警方式將低溫信號輸出給風機主控系統，由主控系統決定是否對機箱進行加熱。此設計能使電池在理想的環境中工作，性能發揮更好，壽命更長。

2.3 自檢設計

為了更好地保障系統的安全性，本文進行了自檢設計。智能電池管理單元上電時將對STM32芯片、BQ2031SN芯片、CAN口通訊、電池連接接口等進行自檢。具體如下：①對BQ2031SN芯片自檢，即檢測該芯片是否能對電池進行充電；②對STM32芯片自檢，即檢測它能否對充電芯片進行控制；③對電池連接接口自檢，即檢測它能否進行電壓采樣得到各節電池電壓，及能否對各節電池進行充電。

系統自檢結果通過前面板紅色LED燈顯示，并通過告警或故障信號送給上位機軟件。自檢出錯包括以下3個等級：連接故障（WIRING）、系統警告（WARING）和系統錯誤（FAULT）。CAN口通訊自檢采用CAN口回環通訊測試，并通過前面板雙色LED顯示（紅色表示CAN口通訊不正常，綠色表示CAN口通訊正常）。

2.4 巡檢功能設計

智能電池管理單元上電時及每次充電后，需對電池組進行巡檢，并對電池狀況進行顯示。巡檢時，系統將通過對各電池電壓采樣，確認電池組線路連接及電池正常。當其中某節電池電壓＜10.5V時，則報警信號輸出，LED指示，并通過數碼管顯示出錯電池；電池組總電壓在130V～140V之間時報警信號輸出；電池組總電壓低于130V時故障輸出。當檢測到電池電壓過小或者為0V時，系統將通過數碼管顯示報錯電池的編號，如果有多節電池則循環顯示，并通過故障電路反饋給主控系統。由于告警及故障信號由外部供給，因此出現故障時，系統將采用繼電器使信號回環輸出，達到告警目的，該繼電器最大允許通過電流為3A。

3 系統軟件設計

本系統軟件設計主流程如圖5所示。系統上電啟動后，立即執行初始化程序，然后對系統硬件和CAN口通訊功能進行自檢，如自檢不通過則輸出故障信號，并通過數碼管顯示錯誤等級；自檢通過后，將對電池組進行巡檢，電池巡檢正常再進入充電流程，若出現異常則輸出報警，進行錯誤處理。第一輪充電結束后，再次巡檢，并進行二次充電。

圖5 系統軟件設計主流程

當檢測到緊急變槳信號（EMC信號）時，停止充電，并馬上將電池組直流電供給變頻器，變頻器驅動伺服電機迅速收槳。EMC信號解除后，電池管理單元進入電池巡檢程序。

4 結束語

本文設計了一套風力發電變槳智能電池管理系統的方案，闡明了管理系統的功能及軟硬件設計過程。充分利用STM32F103微控制器對外接口豐富、功能強等特點，實現了高速的數據采集和輸出控制。實際應用證明本系統安全可靠，抗干擾能力強，維護成本低。

［1］侯紹虎.大型風力發電機組變槳后備電源管理系統設計［D］.長沙：湖南大學，2013：11-14.

［2］張為民，李曉武，雷霆.太陽電池—鉛酸蓄電池充電控制器的研究［J］.電源技術，2004（1）：43-46.