基于微電網電池管理系統研究與設計

吳 瓊

（黑龍江東方學院，黑龍江 哈爾濱 150080）

1 概 述

近年來，隨著世界范圍內不可再生資源匱乏和環境破壞等問題日益突出，能源危機已成為國內外高度關注的問題。世界各國紛紛將低能耗和高效能作為生產發展目標，并為此付出大量努力。可再生能源可從自然界中不斷獲取，有助于減輕能源壓力，降低環境破壞程度，因此通過利用可再生新能源進行發電吸引了各國的目光與關注，而且各國學者陸續開展了一系列研究工作，并收獲了不錯成果。在自然條件下，太陽能和風能的分布很廣，利用其進行發電可以分為集中式和分布式兩種。其中分布式發電的穩定性和經濟性等更加優越，所以其相關研究和開發利用更受人們重視。然而在分布式電源不斷增多的背景下，傳統模式逐漸顯現出大量問題與弊端，如效率不足等。鑒于此，微電網概念應運而生，可以較好地解決上述問題[1]。

2 電池管理系統的硬件設計

2.1 系統總體方案設計

本文重點設計一種BMS，具體功能涵蓋電壓、電流、溫度采集、電池單體均衡管理、保護以及顯示等。硬件方面涵蓋主控芯片STC89C52、供電模塊、電壓采集模塊、電流采集模塊、溫度采集模塊、均衡模塊、保護模塊、報警模塊、LCD顯示模塊等。整體結構如圖1所示[2]。

2.2 控制器最小系統設計

事實上，BMS控制器可選類型并不單一，按照BMS性能和性價比要求，經全面對比分析，最終采用宏晶企業STC89C52 MCU。這款產品屬于8位MCU，通過CMOS技術研制實現，內置8 KB ISP Flash閃存[3]。此外，這款產品選用早期MCS-51內核，故而指令、引腳和早期51 MCU兼容，但經過大量優化與調整，最終擁有大量早期51 MCU無法實現的功能，實用性得到明顯提高。

2.3 供電電路設計

本次選擇+5 V直流電源，以解決實際問題。由于MCU和AQW212芯片分別要求+5 V和+3.3 V電源供電，故而必須完成電壓轉換[4]。經全面對比分析，結合實際情況考慮，以LM1117-3.3芯片轉換輸出+3.3 V直流電，具體如圖2所示。LM1117-3.3 I/O端依次和地間并聯10 μF旁路電容，有助于保證輸出電壓可靠性，將+5 V接LM1117-3.3輸入端，即可輸出+3.3 V電壓。

2.4 均衡電路設計

事實上，電池之間性能始終存在相應區別，一旦串聯為電池組，電池單體性能隨充放電過程暴露出明顯區別，造成單體性能無法統一。為消除這種不一致情況，必須完成均衡管理。本次選擇被動均衡，也叫做耗散型均衡，只要發現單體電壓沒有處于平衡態，便切入至均衡電路內，消耗電量較高單體直至和最低單體一致，促使組內電池彼此平衡，做到長期安全可靠運行。這種方式既有優點也有不足，優點在于結構穩定且容易實現，不足在于會有一定程度浪費現象，因此必須引起重視[5]。具體的均衡電路如圖3所示。

2.5 保護及報警電路設計

結合實際情況考慮，保護及報警電路主要由繼電器、三極管以及蜂鳴器等構成，以此滿足保護和報警需求，從而保證系統始終可以安全穩定運行。電池組穩定工作無須保護期間，RY端相連I/O口，三極管截止，線圈未得電，BMS穩定運行。一旦電壓、放電電流以及溫度超出預設安全值，MCU會將RY腳置1，三極管導通，繼電器常開、常閉觸點分別閉合和斷開，電路中斷，電池組不再放電，蜂鳴器動作產生提示。如果各項參數回歸安全區間，那么RY腳置0，BMS將繼續穩定運行。保護電路原理如圖4所示。

3 電池管理系統的軟件設計

本次主控部分選擇STC89C52，這款MCU的開發環境為uVision V3.0，同時以C語言進行編程。需要注意是，在程序下載燒錄至MCU時，所用上位機選擇專門的STC_ISP_V4.0軟件來實現。軟件設計過程中，必須實現初始化、采集、SOC估算、均衡管理、保護以及顯示等功能。

4 結 論

儲能系統對微電網意義重大，屬于不可或缺的關鍵一環，本文從此出發，完成BMS軟硬件兩方面設計。隨著時間不斷推移，社會發展越來越快，能源問題和環保問題也會更加緊張，此時本課題的提出有著明顯必要性，未來必將引起更多的關注與重視。在后續工作和學習階段，將以本次研究成果為基礎，順應時代發展趨勢，學習應用更多新的技術與方法，促使BMS開發設計更加完善，借此緩解能源消耗壓力，從而為社會發展提供更大助力。