一種鋁空氣電池雙路冗余并聯式管理系統研究

費亞龍，馮 偉，潘協輝

(中船重工集團公司第722 研究所，湖北武漢432205)

鋁空氣電池作為一種新的化學體系電池，以其能量密度高、價格低廉、安全性高、溫度適配范圍寬和制造工藝簡單等優點受到關注。在城市動力電源、工廠后備動力源和便攜式電源等領域得到了應用[1]。鋁空氣電池作為應急和后備輔助電源，無論民用還是軍用，都具有巨大的發展潛力。

鋁空氣電池在持續大電流放電時，容易出現電解液濃度降低和溫度過高、析出氫氣濃度過高等問題。這些現象將嚴重影響電池能量轉換效率，縮短電池使用壽命，甚至可能引發電池爆炸[2]。對電池組進行實時監控和安全管理，對鋁空氣電池的應用具有重要作用。

目前大多數鋁空氣電池管理系統的功能較為簡單，僅測量電壓和電流參數，將獲得的數據用于電池體系的基礎理論研究。工程應用方面，沒有一套完備的系統管理方案[3]。本文以兩路并聯式電堆為研究對象，10 kW 功率等級持續輸出，通過雙路并聯式管理方案對鋁空氣電池進行管理。兩套BMS 相互獨立互為冗余熱備份。當一路BMS 出現故障，另一路仍正常運行。

1 鋁空氣電池總體結構

鋁空氣電池主要由電堆系統和電解液循環輔助系統構成。電堆由電極、隔膜、電池外殼等構成；電解液循環輔助系統由液壓循環泵、電解液輸送管路、電解液池等構成。另外，電池系統中還包括氧燭控制器、氫氣傳感器、消氫器、散熱器、溫度傳感器、電導檢測儀、電壓霍爾傳感器、電流霍爾傳感器和DC/DC 變換器等，用于系統各種參數的檢測。鋁空氣電池系統結構圖見圖1。電池為兩組電堆并聯，每組電堆由44 塊鋁板組成，工作電壓范圍28～72 V，可實現200 A 電流輸出。表1 為單組鋁空氣電池的基本性能指標。

表1 單組鋁空氣電堆基本性能指標

圖1 鋁空氣電池系統結構圖

2 雙路冗余式BMS

2.1 BMS 電路拓撲結構

雙路冗余式管理系統采用兩路并聯式管理策略，對鋁空氣電堆進行監測與控制，其拓撲結構見圖2。它可完成電堆電壓與電流檢測，電解液濃度與溫度檢測，氧氣濃度與剩余氧燭數檢測，氫氣濃度檢測，DC/DC 變換器和繼電器狀態的檢測。

圖2 雙路冗余并聯式BMS拓撲結構圖

根據檢測結果完成電堆電量計算，外圍監測單元故障等級判斷，將各種參數實時上傳上位機系統，接受上位機控制指令，實現對電堆運行控制。

鋁空氣電堆的電池管理系統通過一路RS485 總線和兩路CAN 總線與外圍模塊進行通信。RS485 總線實現與電導檢測儀、氧燭控制器和2 路氫氣傳感器的通信與控制；CAN 總線分兩路，一路用于BMS 與上位機通信，實現電堆、外圍檢測設備的狀態上報，同時接收上位機下發的控制指令；另一路用于控制3 路DC/DC 變換器并接收其上報的狀態信息，根據負載母線的電壓等級和電能品質需求，實現三路DC/DC 變換器均流（單模塊額定輸出功率3.5 kW）。雙路冗余式拓撲結構的優點在于一路BMS 出現故障時，另一路作為熱備份仍能保障系統的安全穩定運行。

2.2 冗余式BMS 軟件設計

BMS 的軟件流程見圖3。系統工作前期由鋰電池供電，并讀取EEPROM 中存儲的相關參數，比如系統運行時間、上電次數、版本號、設備ID、初始SOC值等。當系統自檢完成，接收到上位機的開機運行指令后，BMS 控制液壓泵的繼電器吸合，電堆開始正常放電，此后鋁空氣電池系統和外圍檢測單元由電堆供電。電堆在工作過程中會產生大量氫氣，為保證放電安全，必須同時啟動消氫器，用以分離氫氣和水氣。

圖3 冗余式電池管理系統軟件設計流程圖

采集外圍檢測單元信號及電堆運行參數時，BMS 要實時分析并執行相應控制操作：(1)當氫氣濃度高于3.5%時，啟動氫氣濃度過高報警；當氧氣濃度低于13%時，釋放氧燭控制器中存儲的剩余氧燭，增加反應堆氧氣濃度。

溫度是影響鋁空氣電池化學反應速度的重要參數，對電池進行熱管理，才可能實現電池最佳放電功率[4]。熱管理控制有模糊控制、PID 控制和定溫開關控制。從設計復雜度和控制效果而言，選擇傳統定溫開關控制策略是可取的。當電解液溫度高于50 ℃時，啟動散熱器。電池荷電狀態(SOC)作為表征電池剩余電量狀態的重要參數，在運行過程中每隔1 s對電池SOC進行估計，當SOC變化值大于0.5%時，執行一次參數存儲。運行過程中BMS 接收上位機下發的DC/DC 變換器控制指令，完成對3 路DC/DC 的控制。

3 冗余式BMS 關鍵技術研究

3.1 電流在線檢測

電流反映電堆釋放能量的速率，電流采樣精確度對剩余電量估計和電堆運行狀態的判斷具有重要作用。電流采樣方法有串聯電阻法和霍爾電流傳感器法。電阻法溫漂特性明顯，對電阻阻值精度要求高，長期應用，檢測精度會降低；為避免溫漂對采樣精度影響，本系統采用霍爾電流傳感器與運算放大器相結合的采樣電路，實現高精度實時檢測。電流在線檢測電路原理見圖4。

圖4 電流在線檢測電路

由于主芯片自帶的AD 采樣精度并不理想，為保證檢測的高精度，本系統選用具有12 位采樣精度的TLV2542 進行電流采樣，由X60008ES8 提供4.096 V 的高精度參考電壓，選擇CHB-125P 霍爾傳感器將原邊側電流以1 000∶1 轉換后，再由高精度電阻R38 轉換成電壓信號，最后通過運放LM358 和二階濾波實現信號隔離與濾波處理。

式中：Iin為電堆的工作電流；Iout為TLV2542 模數轉換后的數字量。小電流情況下霍爾傳感器線性較差，實際應用中要通過線性擬合對小電流的采樣值進行校準。

3.2 剩余電量估計

剩余電量反映鋁板和電解液的消耗量與剩余量。估計剩余電量方法有開路電壓法、內阻法、安時積分法和神經元網絡法[5]。上述方法都是通過消除不可控因素以提高估計精度。

鋁空氣電池僅存在放電環節，且自放電率小。鋁空氣系統通常包含鋁板富余或電解液富余兩種情況[6]，當鋁板富余時需對堿液pH 值進行測量，常見的玻璃電極法僅用于靜態測量，不適用工作帶電狀態的檢測，因此從工程應用、軟件可實現化和估計精度考慮，利用安時積分法對電解液富余情況下的鋁空氣電堆剩余電量進行估計。

式中：Soc為電池剩余電量；Qc為電池總容量；Q1為電池使用電量；Iin為放電電流，即電堆工作電流；t為采樣時間。

3.3 上位機實時監控

上位機可實現人機交互，實現反應堆的啟停控制。本系統利用LABVIEW 平臺建立的數據庫對BMS 上報的數據進行處理與保存。上位機可根據用戶要求發送相應的控制指令。上位機監控系統見圖5。監控界面主要分為DC/DC 變換器參數、故障狀態參數、外圍設備參數和電堆運行參數等四部分。

圖5 上位機監控系統圖

4 冗余式BMS 關鍵技術

為驗證鋁空氣電堆的電流檢測與荷電狀態估計的精度，通過調節可變負載控制電堆的輸出電流，利用上位機繪制電堆電流和電量變化曲線。圖6 為鋁空氣電池不同放電電流時的曲線圖。

圖6 鋁空氣電池電流隨時間變化曲線

由于電堆制造工藝的差異性，放電過程中1#電堆的電流略小于2#電堆，且電流差約為2 A 左右。實驗中利用DS6104示波器檢測1#電堆在不同電流段的某一電流值I1和BMS 采集的放電電流I2，其對比情況如表2所示，可知在該工作模式下電流檢測精度小于1.5%，且當電流接近額定電流值時采樣精度較高，能滿足系統對電流檢測的精度要求。鋁空氣電池電量變化曲線見圖7。

表2 1#電堆電流檢測參數

圖7 鋁空氣電池電量變化曲線

從圖7 可知，在不同電流段內，電池剩余電量的變化量有所不同，電流越大，SOC值變化越快，其中電流55 A 左右時的SOC變化量最快，符合安時積分法對電池荷電狀態的估計趨勢。在全生命周期中1#電堆的采樣電流比2#電堆的電流小，積分過程中的累積效應導致1#電堆的剩余電量比2#電堆的剩余電量大，且差值越來越明顯。

為驗證雙路冗余BMS 方案的可行性，在系統正常工作情況下，切斷其中一路電池管理系統的電源，另一路管理系統仍能保證電堆與外圍設備的正常運行。

5 結論

本文提出的雙路冗余并聯式管理方案，能實現對鋁空氣電池的電壓、電流的在線檢測，完成剩余電量估計和電解液熱管理。上位機同時具備實時監控、故障報警等功能。通過在線掉電測試驗證了冗余方案的有效性。