基于STM32單片機并網儲能電池恒溫控制系統設計

姚明書 許曉峰 鞠振河

摘 要：近年來，新能源發電廣泛并網，儲能技術對于提高其電能質量與可靠性具有重要意義，進而成為電力系統的研究熱點之一。蓄電池組作為儲能系統的主要設備，其壽命，容量和安全性均與溫度緊密相關。本文采用STM32單片機對并網蓄電池組的溫度進行自動控制：溫度采集，設定值設定，越值報警，制冷風扇與紅外加熱儀的控制。用戶通過人機交互界面DWIN-LCD工業串口屏界面設定閾值數值，預調整溫度等數值，所有數據自動上傳至上位機，通訊速率達到9600bps，系統可及時動作。

關鍵詞：儲能；STM32單片機；人機交互界面；溫度控制

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

0 引言

電池儲能系統在電力系統中廣泛應用，因其快速的對接入點的有功功率和無功功率進行調節，可用來提高電力系統的運行穩定性、提高供電質量，當其容量足夠大時，甚至可以發揮電力調峰的作用[1]。近些來，新能源并入電網，儲能技術平抑波形，提高電能可靠性與參與二次調頻的優勢已經初步體現。

作為儲能最核心的蓄電池組的作用更是不可忽視，其最佳工作溫度為15℃至25℃，溫度下降時，電池反應速率降低，輸出功率也會下降；溫度上升時，雖然輸出功率會上升，但若溫度過高，則會破壞電池內部化學平衡，導致材料的性能會退化和循環壽命縮短[2-3]。但是我國北方冬天遠低于15℃，南方夏天遠高于25℃因此恒溫控制系統對于維持蓄電池的使用壽命和輸出功率至關重要。

1 硬件系統設計

1.1 硬件需求列表

蓄電池金屬箱體1個；PLC模塊1塊；溫度傳感器1個；數碼管2個；紅外加熱儀2個（1、2加熱檔各一個）；制冷風機2個（1、2加熱檔各一個）；蜂鳴器1個。

1.2 硬件結合方式

硬件主體為蓄電池金屬箱體。

在箱體內部將蓄電池架空安置，與紅外加熱儀及風機保持一定距離。

在箱體底部內測安裝紅外加熱儀。

在箱體頂部外側安裝制冷風扇，采用分離裝置，將風扇的葉片對準分離裝置，以便冷風流通。本設計的重點為當制冷風扇產生火花時，分離裝置避免了蓄電池的明火引燃。蓄電池在充電過程中兩極產生H2和O2，當H2濃度達到4%至76%時引起易燃。

溫度傳感器設置在電池架位置予以固定；兩個數碼顯示管和蜂鳴器安裝于蓄電池金屬箱體外側。

STM32 雖然內部自帶了溫度傳感器，但是因為芯片溫升較大等問題，與實際溫度差別較大，所以，本產品通過 STM32 來讀取外部數字溫度傳感器的溫度，來得到較為準確的環境溫度，通過它來實現 STM32 和外部溫度傳感器（DS18B20）的通信，并把從溫度傳感器得到的溫度顯示在 LCD 屏上。DS18B20 是由 DALLAS 半導體公司推出的一種的“一線總線”接口的溫度傳感器。與傳統的熱敏電阻等測溫元件相比，它是一種新型的體積小、適用電壓寬、與微處理器接口簡單的數字化溫度傳感器。一線總線結構具有簡潔且經濟的特點，可使用戶輕松地組建傳感器網絡，從而為測量系統的構建引入全新概念，測量溫度范圍為-55～+125℃ ，精度為±0.5℃。現場溫度直接以“一線總線”的數字方式傳輸，大大提高了系統的抗干擾性。它能直接讀出被測溫度，并且可根據實際要求通過簡單的編程實現 9～12 位的數字值讀數方式。它工作在 3～5.5 V 的電壓范圍，采用多種封裝形式，從而使系統設計靈活、方便，設定分辨率及用戶設定的報警溫度存儲在 EEPROM 中，掉電后依然保存。

2 系統軟件設計

2.1 運行方式

根據以上并網蓄電池溫度控制系統的軟件設計。

2.2 功能實現

（1）傳感器數據顯示。

（2）設定值設定，可以根據不同需求和情況對閾值參數進行設

定，分為手動控制和遠程操控兩種操作方式。

（3）自動制冷調節，單片機實時采集當前溫度，當溫度高于設定值時，單片機內的算法會自動對偏差值的大小進行制冷模式的選擇：

溫度偏差5℃之內，relay1打開，啟動1檔制冷風扇，冷氣流動較慢，可準確地調節恢復箱內溫度，實現“涓流控制”直至溫度回復到設定值，冷卻停止；

當溫度偏差5℃至10℃，relay2打開，啟動2檔制冷風扇，風扇調制2檔，冷氣流動較快，可較快的調節箱內溫度，當溫度偏差減至5℃內時，風扇自動轉至1檔，直至溫度回復到設定值，冷卻過程停止；

當溫度偏差10℃以上，relay1，relay2均打開，同時啟動2臺制冷風扇，冷氣流動快，當偏差逐漸減少至（2），重復上述調節過程。

本次紫金橋仿真擬用20℃作為設定值。

（4）自動加熱調節，過程與制冷調節相似，在此不進行贅述。

（5）反饋調節，由于并網蓄電池的溫度傳感和調節實時進行，只要實時溫度不等于設定值溫度，循環調節就會進行PID調節，直至達到設定溫度。

（6）故障控制，為防止系統出現故障，加入越值報警功能，晶振時鐘會記錄系統動作時間，若調整時間超過正常工作時間的1.8倍，系統仍未調整至最佳工作溫度，啟動繼電保護狀態即關斷所有繼電器，蜂鳴器啟動報警，提醒用戶進行動作。主要應用在故障控制和應急情況。并切換手/自動切換模式，可作用于自動模式下的溫度調節故障或機組故障引起的參數突變的應急等。

3 結論

本文主要針對并網蓄電池不同等級的加熱或制冷進行實時調節。

此外本系統具有如下優越性：

（1）該裝置結構簡單，操作便捷，蓄電池溫度控制箱自主實現溫度調節，確保了蓄電池的安全穩定運行。

（2）該裝置將實時狀態就地及在上位機上同時顯示，集中調度，控制。

（3）該裝置可就不同地域變化參數，可兼容諸多功能，且可加入至現有的并網程序中。

（4）該裝置采用屏幕內嵌入柜布局，在使用透明柜門保證操作員觀察地前提下，使得LCD屏幕處于恒溫環境內，并避免了室外環境對屏幕的損毀，有效地長期維持LCD屏的觸控靈敏度并延長屏幕使用壽命。

（5）具有較強的通用性，程序和硬件稍加改動，即可應用于其他恒溫控制場合，如高壓開關柜等。

參考文獻：

[1]孫輝，吳紅斌.分布式發電系統中蓄電池的建模與并網特性仿真[C].中國高等學校電力系統及其自動化專業學術年會，2009.

[2]陳貴峰.基于ARM9的蓄電池管理系統的研究[D].河北農業大學， 2011.

[3]周俊成.電池管理系統設計研究[D].哈爾濱工程大學，2015.

本論文基于遼寧省教育廳團隊創新項目（LT2016015）及國際太陽能十項全能競賽（H18006）

作者簡介：姚明書（1995-），女，遼寧撫順人，碩士研究生，主要研究方向：電力系統運行、分析與控制。