光伏混合動力電池實時管理系統的設計

龍 芬

光伏混合動力電池實時管理系統的設計

龍 芬

隨著經濟的發展，全球電能需求每年都在增加，目前大多數電能是通過煤、天然氣和石油生產出來的，這些傳統的生產方式會直接影響并污染環境。 因此，來自混合可再生能源的電能已經成為新的可替代的供電方式。

混合可再生能源系統(HRES)由于可再生技術的進步和石油產品價格的提高而在偏遠地區的發電中變得流行。HRES通常由兩個或多個可再生能源組成，一起使用以增加系統的效率和平衡電能輸出。 最常用的HRES類型是耦合到發電機的光伏(PV)陣列。混合能源系統通常比獨立的光伏系統產生更大的經濟和環境回報。如在夜間或在云覆蓋下，當PV不能發電時，為了穩定HRES，這時就需要能量存儲系統補充發電。

一般HRES能量存儲單元就是電池系統。這些電池存儲系統的重要指標就是性能、壽命和耐久性。因此，在這些應用中需要電池管理系統(BMS)來控制電池的工作條件，穩定系統并延長電池的使用壽命。

1 應用于可再生能源系統的電池類型對比

任何類型的電池都可以用于可再生能源系統中。但是通過比較鉛酸，鎳鎘和鎳鐵電池，發現最常用于可再生能源系統的電池類型是深放電鉛酸電池。從表1所示的三種類型電池中可以看出，鉛酸電池在價格、性能和電池壽命這幾個方面是最有優勢的。

表1 三種電池類型的比較

2 鉛酸電池理論

鉛酸電池經常用于電動自行車和其他不太關注于重量的場合。在20世紀70年代，閥控式鉛酸電池(又名密封鉛酸電池)被開發出來；凝固的電解質替代了液態電解質，使電池可以應用在不同的地方而不會引起泄漏。

電池的放電狀態、正負極材料都是硫酸鉛(PbSO4)，電解質主要是水和稀硫酸。放電過程其實就是負極金屬的電子通過外部電路遷移到正極的過程。電池充電后，每個單元的硫酸電解質中都包含有負極板上的Pb離子和正極板上的PbO2離子。電池充電過程就是把外界電源的電能轉為化學能儲存起來的過程，正極板在外界充電電源的作用下，強行遷移電子到充電電源，而負極板上則由充電電源導入電子。鉛酸電池的類型多樣，但最適合可再生能源系統的電池類型是深放電型，因為這種類型的電池能在很長時間內連續提供電力，且在不損壞電池的前提下放電總量可達電池總量的80%。

3 荷電狀態估算方法

荷電狀態(SOC)相當于電池組的一個電量指標。SOC的單位是百分比，0%即空的狀態，100%即滿的狀態。另一種形式的相似的衡量指標是放電深度(DOD)，DOD=1-SOC (即SOC為100%的，DOD是空的狀態，SOC為0%的，DOD為滿的狀態)。SOC通常用于討論當前電池的使用狀態，在討論重復使用后的電池壽命時最常使用的指標是DOD。

狀態估計在電池管理系統(BMS)中必須精確，因為BMS系統是通過控制電池的性能來延長其壽命的。但在實際應用中，由于混合系統中的負載是不穩定的，因此直接估算SOC是不準確的。為了提高電池的性能和可靠性，在電池管理系統中，估算電池的荷電狀態是非常有必要的。而今有許多估算荷電狀態的的算法，因此，我們對不同的SOC估算技術進行了對比，如表2所示。

表2 SOC估算技術對比

通過以上對比與分析，本文給出了一種基于庫侖計數的SOC估算方法，并將其應用于PV-hybrid電源的電池電管理系統中，因為這種方法在負載不穩定的情況下能被實時的監控，并且容易計算。

4 基于庫侖計數的SOC估算技術

荷電狀態通過測量電池的電流并通過積分來估算。然而，這種方法的缺點是時間長了會漂移以及缺乏參考點。因而，SOC必須定期進行校準。比如，當充電器確定電池是充滿電的時候，通過重置SOC到100%。對實時估算來說，通過傳感器獲得實時測量值和初始化的100%SOC,再采用如下公式進行估計。

SOC(t)=實時充電狀態,SOCinit=初始充電狀態,i(t)=實時放電電流,Cn=電池容量。

5 電池的退化因素

a.環境溫度效應：鉛酸電池由氧化鉛正極板和負極板組成。而兩塊板都浸在硫酸中，溫度會影響板的腐蝕和退化率。溫度說明由IEEE11 84給出。

b.浮充電壓：與目標的充電電壓不同的電壓會影響極板的退化。當浮充電壓在電池的目標電壓之下，電池將會遭到正負極板的硫化。如果浮充電壓超過目標電壓，則電池會存在脫水現象。

c.循環放電：重復循環放電會導致電池退化。因為電池的退化，電池的極板將出現腐蝕現象。

6 電池管理系統設計

基于鉛酸電池的基本理論、荷電狀態估算技術以及確定電池退化狀態的方法，我們將設計一種新的電池管理系統，該BMS設計程序如圖1和圖2所示。圖1為電池控制和SOC估算程序圖，圖2是BMS監控顯示界面。如圖2所示，監控界面由四個組成部分所組成：第一部分顯示電池的電壓和負載電流；第二部分顯示電池電壓、PV電壓、PV充電電流和DC發電機充電電流產生的數字值；第三部分顯示電池的SOC圖像，如果系統檢測到故障，第四部分將發出警報，以便管理員可以實時分析和對系統作出反應。

圖1 電池控制和SOC估算程序

圖2 BMS監控顯示界面

電池管理系統通過數據采集，進行電管理、熱管理、安全管理，從而確定電池的狀態。

6.1 數據采集

所有的算法均使用BMS的測量數據作為輸入信息。因而，精度、采樣率和前置濾波器的特性是BMS的關鍵和依賴。BMS還可以處理BMS與其他車載和車外設備之間的通信。這取決于具體的應用，不同的接口可能用于不同的數據交換。本設計主要應用于局域網中，LAN使用DAQ-9188和模塊NI9335、NI9227、NI9211以及NI9401,如圖3所示。

圖3 庫侖計數法的數據采集模塊

6.2 電管理

電管理系統的輸入參數是電流、電壓和SOC。本系統在電管理方面主要控制充放電的過程。

6.3 熱管理

對大多數的高功率和高溫電池來說，熱管理是必需的。熱管理系統等價于電池的溫度管理和必要時的降溫措施。基于液態和空氣的降溫系統經常被使用，電池工作在35度、50度時停止工作。

6.4 安全管理

安全管理系統保護電池處于合理的工作條件下。本設計采用的約束如下：

1) 深度循環放電的控制標準是當電池電壓達到80%DOD時停止電池的運行；

2) 過充電電壓的控制標準是控制電池電壓不能超過115%的額定電壓。

6.5 電池狀態確定

對管理系統來說，電池的狀態是關鍵的輸入參數。本文通過庫侖計數法來確定電池的SOC。應用庫侖計數法的BMS結果將與在實驗室中使用12 V、5.5 A的鉛酸電池采用如圖4所示的MTB-series電池模塊標準的測試結果進行對比。當放電電流是1 A時，測試的對比結果如圖5所示。

通過圖5的比較可知，從100%開始，庫侖計數法相對于MTB系列估計具有10%的誤差。

圖4 基于MTB-series的SOC計算

圖5 LabVIEW中SOC和MTB的比較結果

7 結論

本文提出了一個用于PV-hybrid動力電源的實時BMS。該BMS采用庫侖計數法，設計了保護系統、控制系統和監控系統。電池的數據采集使用的是LabVIEW8.5和Nic DAQ-9188模塊，還可將其作為其他系統的輸入參數。在實時系統中，SOC估算使用的是庫侖計數法。該方法已經通過MTB系列電池的測試被驗證。兩個系統的誤差約在5%左右。當系統檢測到錯誤時，將會發出警報，同時管理員能夠分析和對實時系統做出反應，使系統穩定并延長電池的壽命。

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[2] 林成濤,王軍平,陳全世.電動汽車SOC估計方法原理與應用[J].電池,2004(5)：376-378.

[3] 陳全世,林成濤.電動汽車用電池性能模型研究綜述[J].汽車技術,2005(3)：1-5.

[4] 姜國權.電動汽車動力電池管理系統的研究[D].上海: 上海交通大學，2009.

責任編輯 俞 林

(咸寧職業技術學院 工學院，湖北 咸寧 437100)

本文利用庫侖計數法設計了一種應用于光伏混合電源的實時電池管理系統。首先對系統中使用的電池類型進行分析。接著分析充電狀態(SOC)估算方法和電池的劣化因素。最后構建包括計算機測量和控制單元在內的整體電池管理系統。利用LabVIEW 軟件中豐富的數據分析與處理功能編寫上位機程序來監測系統的充電狀態，顯示實時信息。當檢測到故障時，系統將發出警報，管理員可以實時分析并對系統做出反應，以穩定系統并延長電池壽命。

BMS； SOC； 庫倫計數； 光伏混合電源

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

咸寧職業技術學院院級課題“3.3 kW電動汽車智能充電樁的設計”(2016B012)

龍芬(1984— )，女，湖南祁東人，講師，研究方向：自動測試系統與虛擬儀器。

10.13750/j.cnki.issn.1671-7880.2017.01.016

TM 912

A

1671-7880(2017)01-0057-04