基于STM32的全釩液流電池管理系統的設計與實現

孟 青，楊 勃，牛慧芳，張 文，馮 杰，王金龍

(1.中北大學 朔州校區，太原 030051; 2.北京理工大學 機電工程學院，北京 100081)

0 引言

全釩液流電池(Vanadium Flow Battery,VFB)是綠色的產業化的新型液流電池之一[1]。釩電池具有容量大，功率和容量獨立設計，循環壽命長，綠色環保以及安全性高等特點，在光伏發電、后備電源、智能電網、軍用蓄電等領域都有寬泛的使用前景[2]。電池管理系統(Battery Management System，縮寫BMS)是電池與用戶之間的紐帶，可以提高電池的利用率，防止電池出現過充和過放，延長電池的壽命[3]。

國內外相關行業對BMS的研究和開發大部分都集中在電動汽車電池上[4]。全釩液流電池由于推廣較晚、推廣范圍較窄、控制設備昂貴以及調試環境欠缺的限制條件，釩電池的BMS研制較晚[5]。隨著釩電池的推廣，越來越多的研究機構和公司也開始重視釩電池管理系統的研發[6]。大部分研究機構像國網電力科學研究院武漢南瑞有限責任公司一樣，大多采用西門子S7-200型號PLC對釩流電池進行實時監控和數據信息的采集[7]，但是PLC端口有限，擴展成本較高且增加智能化接口困難。本文以5 kW、30 kWh的VRB為對象，設計了一款基于STM32F103RB開發了全釩液流儲能電池(VFB)管理系統，該電池管理系統可實現電池側實時數據監測、故障診斷以及保護，并能存儲和遠程上傳數據，端口擴展簡單且成本低。

1 VFB管理系統的整體設計

1.1 VFB的工作原理

VFB是一種不同價態釩離子作為正負極電活性物質，活性物質溶解于支持電解質中呈液態循環流動的新型氧化還原儲能液流電池[8]。VFB的工作原理圖如圖1所示，整個儲能電池由兩個半電池的電解液(正極電解液和負極電解液)，外接正負循環泵，電堆以及相關管路組成[9]。其工作原理：通過外接正負兩個交流循環泵，把儲液罐中的電解液泵入電堆內部，使其在不同的儲液罐和半電池的閉合回路中循環流動，在兩個氧化還原電堆的電勢差的作用下，進入半電池的電解液在電極表面發生氧化還原反應，使電池完成充放電[10]。

圖1 VFB工作原理圖

1.2 VFB管理系統的總體設計

本文設計的VFB管理系統是基于5 kW 30 kWh的全釩液流儲能電池而設計，電池的功率為5 kW，電堆電壓為48 V，容量可達30 kWh。全釩液流電池BMS的結構設計關鍵要考慮可擴展性，當儲能系統規模擴大時，電池管理系統應能夠方便的實現擴展、級聯和組網。BMS的總體組成框圖如圖2所示。系統主要有采集模塊、主控模塊、電源模塊、通信模塊、繼電控制模塊、黑啟動模塊和故障指示與報警七大模塊組成。

圖2 VFB管理系統總體設計框圖

采集模塊主要負責采集電池運行過程中的開關量和模擬量信號，包括按鈕信號、端電壓、電流以及溫度信號；控制模塊采用STM32芯片，根據采集的信號進行電池SOC估計，并根據信號的采集結果控制循環泵的啟停；電源模塊將48 V的釩電和鋰電分別轉換成24 V，5 V和逆變成220 V來給系統的各個模塊供電；通信模塊可以實現硬件電路與組態軟件的信號傳輸、可實現數據的遠程上傳和與外部其他模塊的通信；為了使VFB系統能夠實現黑啟動，增設了一個24 V鋰電池作為系統的黑啟動電源，并配備了黑啟動控制模塊用于控制黑啟動過程，通過雙向DC/DC變換器對24 V鋰電池進行充放電；繼電器模塊則在控制A板的控制下實現釩鋰切換，手自動切換和循環泵的啟停；故障指示與報警模塊可以根據指示燈的顏色變化和蜂鳴聲提示故障，便于操作人員及時排除故障。

2 VFB管理系統的硬件設計

為了保證VFB的穩定可靠運行，在硬件電路設計過程中要充分考慮其抗干擾性、安全性和可靠性。VFB管理系統的硬件系統主要由主控電路、信號采集電路、供電電路和保護電路組成。

2.1 信號采集電路

信號采集電路主要包括電壓信號采集、電流信號采集以及溫度的采集，電路圖如圖3所示。由于STM32的工作電壓為3.3 V[11]，系統進行端電壓采集時，需要將端電壓的電壓信號轉換為0～3 V的電壓信號，然后系統對0～3 V的電壓信號進行采集。對VFB進行運行電流采集時，利用霍爾電流傳感器也是將電流轉換成0～3 V的電壓信號，然后系統對0～3 V的電壓信號進行采集。本文采用DS18B20進行電堆溫度采集，采集的溫度值轉換成電阻值，再將電阻值轉換成電壓值輸入值系統[12]。STM32自帶12位18通道的ADC轉換器，因此，采集到的電壓、電流和溫度信號經過轉換后進入STM32內置的ADC中進行轉換[13]。

圖3 信號采集電路

2.2 電源供電電路

電源是系統工作的動力。VFB管理系統中，系統啟動電壓和釩電池額定供電電壓為48 V，因此系統內置48 V的鋰電池用于啟動電源，一旦釩電池開始混液，并監測釩電池端電壓達40 V，該電池管理系統自動切換至釩電池供電。

48 V的系統供電電源啟動后，一路經逆變器轉換成220 V給交流循環泵供電，另一路先轉換成24 V，給繼電器、顯示屏供電，再經由24 V轉5 V給電流傳感器和主控芯片供電。電源電路圖如4所示。

圖4 電源供電電路

2.3 保護電路

BMS系統中直交流信號共存，同時還有各種開關信號。為了減少電磁干擾，本系統采用光耦和繼電器二級保護設計。主控芯片STM32與tlp250相連進行直交流的隔斷，tpl250的輸出信號控制繼電器HFD27-024-S，進行二次干擾信號隔離。保護電路圖如圖5(a)和(b)所示。繼電器控制模塊包括正負泵的啟停控制、釩鋰電池的供電控制、手動自動的切換、緊急制動以及上電自鎖電路，本模塊由17個24 V的JRC-27F繼電器實現控制。為了提高安全性，自動控制電路與手動控制電路完全分離，手動控制全部由繼電器進行控制，尤在釩鋰輸入處采用兩路繼電器進行控制，大大提高了系統的可靠性，并對釩鋰電池的正負兩極同時進行控制，以避免出現不必要的電磁干擾，所述模塊留有一個繼電器與相應的接口根據控制需求可以進行擴展。

圖5 保護電路圖

3 VFB管理系統的軟件設計

VFB管理系統的功能包括循環泵的啟停控制、釩鋰切換控制、故障檢測與診斷、信號的采集、SOC估計以及相關參數校準。

系統上電后，初始化BMS，對VFB進行故障檢測，若系統連接有問題，則關閉泵與所有閥門，開啟故障狀態指示燈，發出警報提醒工作人員；若連接正常，采集電池參數，進入充放電控制，同時檢測開路電壓估算SOC，修正恒壓充電過程，控制循環泵的啟停并對電堆的溫度進行控制；當VFB系統因故障停運、工作電源消失時，進行釩鋰切換控制，由鋰電池輔助實現黑啟動，如圖6所示。

圖6 VFB管理系統的主程序圖

3.1 BMS的SOC估計程序

SOC估計是電池管理系統的基本功能，也是重要的功能之一，對于判斷電池運行狀況和控制電池充放電過程至關重要[14]。SOC的正確估計可以預估電池的剩余工作時間，防止出現過充或者過放，延長電池的使用壽命。對此，系統采用修正卡爾曼濾波實現SOC估計，保證SOC的估算精度和實時性。

修正卡爾曼濾波算法是綜合開路電壓法、安時積分法和卡爾曼濾波算法的優點，在系統開機時使用開路電壓法，根據OVC-SOC關系如圖7所示，去確定SOC初始值，之后交替使用安時積分法和卡爾曼濾波法，以卡爾曼濾波法對安時積分法的估算結果進行修正，達到快速準確在線估算 SOC 的目的。基于修正卡爾曼濾波算法的SOC估計流程圖如圖8所示。

圖7 VRB的OVC-SOC關系圖

圖8 修正卡爾曼濾波算法的流程圖

3.2 BMS的主控制程序

BMS控制程序主要通過交流循環泵的啟停操作達到對電池充放電的控制以及過充過放的保護。VFB工作時的狀態主要有充電、放電和待機。為了保證釩電池安全均衡高效充放電，并考慮實現的難易程度，控制電池的充電過程采用三段恒壓充電，即先快充再慢充最后涓流充，達到快速充電的目的；放電過程采用恒功率放電，驅動恒功率負載。

通過采集電池狀態參數，選擇電池充放電階段。進入不同階段后，通過開路電壓修正恒壓過程，即利用所估計的SOC值去修正充電電壓，從而實現精準控制。由于釩電池輸出電壓在42～60 V，充電過程中，將電壓過充保護閾值設置為60 V，同時在三段恒壓充電過程中，開始時電流很大，后逐漸減小，在充電末期僅有很小的電流通過，這里將快慢充電電流分界點電流設置為35 A。具體控制過程如下，其中I為電池工作電流，U為端電壓：

1)首先采集初始信號，當檢測到I>0且U<60 V，此時為充電狀態。然后判斷電流I是否大于等于35 A，若大于快慢充電流分界點，電池轉入快充，否則轉入慢充。

2)當進入快充階段時，采用大電流恒流充電(根據電池的特性，具體電流設置有一定區別)，待端電壓U上升至58 V，但也有可能因為慣性而超過58 V，將其設置為到58 V+0.03I后轉入慢充，否則仍處于快充，重復這個過程，繼續等待下一時刻采集的信號進行判斷。

3)當進入慢充階段時，采用58 V恒壓充電，待端電壓U上升到59 V+0.03I后轉入涓流充電，否則仍處于慢充，繼續等待下一時刻采集的信號進行判斷。

4)進入涓流充電階段，也就是恒流浮充階段后，設置電流低于35 A，或者更低，具體根據電池特性選擇。待檢測到U上升到截止電壓閾值60 V時，停泵結束整個充電過程，否則繼續涓流充電。

若不滿足充電且U<60 V時，如果U大于等于60 V則立即停泵，即停充停放。否則，電池進入放電工作模式。放電采用恒功率放電，電池端電壓下降，充電電流逐漸上升，將電壓過放保護閾值設置為42 V。放電工作模式為：當檢測到U大于等于42 V，繼續判斷電流I，若I小于35 A，繼續放電，若I大于等于35 A，繼續放電，直至電壓小于42 V，停泵結束放電過程。

充放電以及保護控制流程圖如圖9所示。

圖9 充放電控制流程圖

3.3 BMS的組態軟件設計

系統基于MCGS組態軟件進行上位機開發。上位機軟件可以實時的監控電池的工作狀態、采集的相關參數、運行曲線、故障點以及進行參數校準，便于遠程VFB工作模式切換。

4 系統測試與分析

為了驗證數據采集精度以及運行的可靠性，對系統進行了模擬試驗和聯機測試。

4.1 充電方法測試比較

為了比較本文充電策略的優劣性，將其與常規恒流恒壓控制方法進行對比。每一組做10次充電實驗，并將所測數據取平均值，得到相應的充電參數。實驗結果如表1所示，其中：t為充電時間，p為過充概率，SOC末為結束SOC，可知與常規充電相比，三段恒壓充電時間縮短25%，出現過充的概率不超過2%，在確保不過充的基礎上提高了充電效率。

表1 充電方法的比較

4.2 SOC精度測試

進行SOC精度測試，先將電池充電至SOC的90%，達到預定的截止電壓后停止充電，然后放電，每放電20分鐘記錄SOC估計結果，并測其開路電壓，根據E-SOC曲線的規律得到SOC實際值。當電池放電至10%SOC時停止放電，再次充電，記錄并比較充電狀態和開路電壓曲線。電池SOC測試結果如圖10所示，可以看出該算法的估計SOC結果接近實際值，SOC變化趨勢基本一致。采用修正卡爾曼濾波進行剩余電荷量估計，精度可控制在±2%以內。

圖10 SOC精度測試對比圖

4.3 信號采集精度測試試驗

在信號采集精度測試中，將BMS采集到的電池工作參數與讀取到的檢測值進行對比分析，參數的采樣誤差如圖11所示。結果表明電壓和電流采集通道的誤差在0.1%以內，溫度誤差在0.15%以內。模擬供電和現場聯機工作過程中，供電電源采集回的電壓、電流以及溫度，精度達到行業標準，VRB運行參數采集較為準確。

圖11 參數采樣誤差圖

4.4 通信誤碼率測試

誤碼率是衡量數據通信傳輸質量的常用指標，反映了數字系統的傳輸質量公式，是數據傳輸精度的指標。通信誤碼率測試主要是測試VFB管理系統的通信可靠性。測試設備采集控制部分的通信誤碼率，經檢測，可以證明系統通信穩定，能夠可靠管理VFB。

除上述試驗外，還進行了溫度、電磁兼容、靜電放電等試驗，即系統在高低溫環境下受到靜電干擾、電磁干擾等，不會中斷通信。根據控制邏輯，系統可以正確的完成泵的啟停，使設備正常工作。

5 結束語

本文設計的全釩液流電池管理系統實現了電壓、電流、溫度等信號的采集以及工作狀態的監測和控制。系統采用修正卡爾曼濾波法實現SOC估計，估計誤差可控制在2%以內。系統在設計過程中采用STM32，成本低，擴展空間大。此外，系統在硬件電路和軟件設計中分別采取濾波保證采集數據的精度，采用光耦加繼電器雙重隔離保證可靠性。系統經過實驗室測試和現場聯機測試，運行穩定，可投入批量研制和生產。