基于微電網(wǎng)電池管理系統(tǒng)研究與設(shè)計(jì)

吳 瓊

（黑龍江東方學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150080）

1 概 述

近年來(lái)，隨著世界范圍內(nèi)不可再生資源匱乏和環(huán)境破壞等問(wèn)題日益突出，能源危機(jī)已成為國(guó)內(nèi)外高度關(guān)注的問(wèn)題。世界各國(guó)紛紛將低能耗和高效能作為生產(chǎn)發(fā)展目標(biāo)，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(huán)境破壞程度，因此通過(guò)利用可再生新能源進(jìn)行發(fā)電吸引了各國(guó)的目光與關(guān)注，而且各國(guó)學(xué)者陸續(xù)開(kāi)展了一系列研究工作，并收獲了不錯(cuò)成果。在自然條件下，太陽(yáng)能和風(fēng)能的分布很廣，利用其進(jìn)行發(fā)電可以分為集中式和分布式兩種。其中分布式發(fā)電的穩(wěn)定性和經(jīng)濟(jì)性等更加優(yōu)越，所以其相關(guān)研究和開(kāi)發(fā)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(tǒng)模式逐漸顯現(xiàn)出大量問(wèn)題與弊端，如效率不足等。鑒于此，微電網(wǎng)概念應(yīng)運(yùn)而生，可以較好地解決上述問(wèn)題[1]。

2 電池管理系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)

本文重點(diǎn)設(shè)計(jì)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(hù)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(hù)模塊、報(bào)警模塊、LCD顯示模塊等。整體結(jié)構(gòu)如圖1所示[2]。

2.2 控制器最小系統(tǒng)設(shè)計(jì)

事實(shí)上，BMS控制器可選類(lèi)型并不單一，按照BMS性能和性價(jià)比要求，經(jīng)全面對(duì)比分析，最終采用宏晶企業(yè)STC89C52 MCU。這款產(chǎn)品屬于8位MCU，通過(guò)CMOS技術(shù)研制實(shí)現(xiàn)，內(nèi)置8 KB ISP Flash閃存[3]。此外，這款產(chǎn)品選用早期MCS-51內(nèi)核，故而指令、引腳和早期51 MCU兼容，但經(jīng)過(guò)大量?jī)?yōu)化與調(diào)整，最終擁有大量早期51 MCU無(wú)法實(shí)現(xiàn)的功能，實(shí)用性得到明顯提高。

2.3 供電電路設(shè)計(jì)

本次選擇+5 V直流電源，以解決實(shí)際問(wèn)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(zhuǎn)換[4]。經(jīng)全面對(duì)比分析，結(jié)合實(shí)際情況考慮，以LM1117-3.3芯片轉(zhuǎn)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(lián)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(shè)計(jì)

事實(shí)上，電池之間性能始終存在相應(yīng)區(qū)別，一旦串聯(lián)為電池組，電池單體性能隨充放電過(guò)程暴露出明顯區(qū)別，造成單體性能無(wú)法統(tǒng)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(dòng)均衡，也叫做耗散型均衡，只要發(fā)現(xiàn)單體電壓沒(méi)有處于平衡態(tài)，便切入至均衡電路內(nèi)，消耗電量較高單體直至和最低單體一致，促使組內(nèi)電池彼此平衡，做到長(zhǎng)期安全可靠運(yùn)行。這種方式既有優(yōu)點(diǎn)也有不足，優(yōu)點(diǎn)在于結(jié)構(gòu)穩(wěn)定且容易實(shí)現(xiàn)，不足在于會(huì)有一定程度浪費(fèi)現(xiàn)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(hù)及報(bào)警電路設(shè)計(jì)

結(jié)合實(shí)際情況考慮，保護(hù)及報(bào)警電路主要由繼電器、三極管以及蜂鳴器等構(gòu)成，以此滿足保護(hù)和報(bào)警需求，從而保證系統(tǒng)始終可以安全穩(wěn)定運(yùn)行。電池組穩(wěn)定工作無(wú)須保護(hù)期間，RY端相連I/O口，三極管截止，線圈未得電，BMS穩(wěn)定運(yùn)行。一旦電壓、放電電流以及溫度超出預(yù)設(shè)安全值，MCU會(huì)將RY腳置1，三極管導(dǎo)通，繼電器常開(kāi)、常閉觸點(diǎn)分別閉合和斷開(kāi)，電路中斷，電池組不再放電，蜂鳴器動(dòng)作產(chǎn)生提示。如果各項(xiàng)參數(shù)回歸安全區(qū)間，那么RY腳置0，BMS將繼續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行。保護(hù)電路原理如圖4所示。

3 電池管理系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

本次主控部分選擇STC89C52，這款MCU的開(kāi)發(fā)環(huán)境為uVision V3.0，同時(shí)以C語(yǔ)言進(jìn)行編程。需要注意是，在程序下載燒錄至MCU時(shí)，所用上位機(jī)選擇專門(mén)的STC_ISP_V4.0軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)。軟件設(shè)計(jì)過(guò)程中，必須實(shí)現(xiàn)初始化、采集、SOC估算、均衡管理、保護(hù)以及顯示等功能。

4 結(jié) 論

儲(chǔ)能系統(tǒng)對(duì)微電網(wǎng)意義重大，屬于不可或缺的關(guān)鍵一環(huán)，本文從此出發(fā)，完成BMS軟硬件兩方面設(shè)計(jì)。隨著時(shí)間不斷推移，社會(huì)發(fā)展越來(lái)越快，能源問(wèn)題和環(huán)保問(wèn)題也會(huì)更加緊張，此時(shí)本課題的提出有著明顯必要性，未來(lái)必將引起更多的關(guān)注與重視。在后續(xù)工作和學(xué)習(xí)階段，將以本次研究成果為基礎(chǔ)，順應(yīng)時(shí)代發(fā)展趨勢(shì)，學(xué)習(xí)應(yīng)用更多新的技術(shù)與方法，促使BMS開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)更加完善，借此緩解能源消耗壓力，從而為社會(huì)發(fā)展提供更大助力。