微電網(wǎng)儲(chǔ)能電池管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

王 俊，尹志勇，郭鑫，任曉琨

（陸軍工程大學(xué)石家莊校區(qū)電力工程教研室，河北石家莊 050051）

隨著對(duì)新能源的開發(fā)和利用，微電網(wǎng)供電系統(tǒng)廣泛應(yīng)用在工業(yè)園區(qū)、偏遠(yuǎn)地區(qū)、邊關(guān)哨所等場(chǎng)合[1-2]。為了使儲(chǔ)能電池處于更好的工作狀態(tài)，需要使用電池管理系統(tǒng)（BMS）對(duì)其進(jìn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)和管理，從而提高儲(chǔ)能使用效率，達(dá)到安全穩(wěn)定運(yùn)行的目的[3]。在微電網(wǎng)儲(chǔ)能中，電池?zé)o法滿充滿放，系統(tǒng)對(duì)能量利用率要求高，供電可靠性標(biāo)準(zhǔn)高，故電動(dòng)汽車的BMS 無(wú)法適用于微電網(wǎng)儲(chǔ)能中[4-6]。目前，儲(chǔ)能BMS 應(yīng)用尚存在不足，一是電池荷電狀態(tài)（SOC）估算精度不夠高，降低了儲(chǔ)能利用率[7]；二是基于被動(dòng)均衡的能量管理方式造成能量浪費(fèi)，均衡效率低[8]。

為此，該文設(shè)計(jì)了基于主動(dòng)均衡的儲(chǔ)能電池管理系統(tǒng)，采用主從式系統(tǒng)架構(gòu)，模塊化設(shè)計(jì)思路，實(shí)現(xiàn)微電網(wǎng)儲(chǔ)能電池的高效管理和能量利用。

1 整體方案設(shè)計(jì)

電池管理系統(tǒng)功能主要有數(shù)據(jù)采集、SOC 估算、均衡管理、安全管理、通信等[9-10]。微電網(wǎng)BMS 通過(guò)實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)儲(chǔ)能電池的狀態(tài)參數(shù)，利用主控模塊對(duì)電池進(jìn)行SOC 實(shí)時(shí)估算，綜合分析并處理電池出現(xiàn)的過(guò)壓、過(guò)流、過(guò)溫、能量失衡等故障，同時(shí)與微電網(wǎng)能量管理系統(tǒng)（EMS）、電力轉(zhuǎn)換系統(tǒng)（PCS）和上位機(jī)進(jìn)行互聯(lián)互通，為微電網(wǎng)系統(tǒng)調(diào)度管理儲(chǔ)能裝置提供依據(jù)。系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)如圖1 所示。

圖1 BMS結(jié)構(gòu)框架

其工作原理如下：從控模塊對(duì)電池組的電壓、溫度、電流等參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和采集，數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)濾波和A/D 模數(shù)轉(zhuǎn)換處理，通過(guò)SPI 通信上傳至主控模塊微處理器（DSP）。主控模塊獲得相應(yīng)的采樣數(shù)據(jù)后進(jìn)行電池參數(shù)辨識(shí)和基于無(wú)跡卡爾曼濾波法（UKF）的SOC 估算；分析判斷電池組運(yùn)行狀態(tài)，若電池組有過(guò)充過(guò)放過(guò)溫等情況，DSP 處理器會(huì)主動(dòng)發(fā)出保護(hù)指令并發(fā)送報(bào)警信息；當(dāng)電池間出現(xiàn)不一致性時(shí)，主控模塊啟動(dòng)均衡策略和算法，利用PWM 波產(chǎn)生器控制均衡模塊實(shí)現(xiàn)一致性均衡。另外主控模塊通過(guò)CAN 總線通信將電池各狀態(tài)參數(shù)上傳給監(jiān)測(cè)工控機(jī)、EMS、PCS 等，為微電網(wǎng)系統(tǒng)管理提供重要依據(jù)。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

硬件系統(tǒng)是BMS 穩(wěn)定運(yùn)行的基礎(chǔ)[11]。該文設(shè)計(jì)的電池管理系統(tǒng)硬件主要包括主控模塊、數(shù)據(jù)采集模塊、均衡模塊、電源模塊、通信模塊等。

2.1 主控模塊芯片選擇

主控模塊芯片是BMS 的大腦，承擔(dān)著數(shù)據(jù)接收、運(yùn)算及管理指令下達(dá)等任務(wù)，運(yùn)算量大，邏輯控制復(fù)雜。該文選擇TMS320F2812型芯片，其工作頻率達(dá)到150 MHz，一個(gè)指令周期約6.67 ns，自帶128 kB 的FLASH 內(nèi)存空間和18 kB 的RAM，還可外接存儲(chǔ)器，16 個(gè)12位ADC 轉(zhuǎn)換通道和SCI、SPI、CAN 等多種通信接口模塊，能較好地適應(yīng)微電網(wǎng)儲(chǔ)能系統(tǒng)所處的復(fù)雜環(huán)境，滿足對(duì)電池管理系統(tǒng)控制器的要求。依據(jù)芯片使用手冊(cè)設(shè)計(jì)主控芯片最小化系統(tǒng)，包括復(fù)位電路、晶振電路、濾波電路等，組成儲(chǔ)能電池管理系統(tǒng)的核心控制部分[12]。

2.2 電壓采集及均衡電路

電壓體現(xiàn)電池的工作狀態(tài)，為電池SOC 估算和安全管理提供重要數(shù)據(jù)支撐[13]。該文采用LTC6811型芯片完成電池電壓監(jiān)測(cè)和主動(dòng)均衡管理任務(wù)，該芯片電壓采集精度高，抗干擾性能強(qiáng)，最多可測(cè)量12節(jié)串聯(lián)電池單體電壓，測(cè)量范圍為0～5 V，其內(nèi)置模數(shù)轉(zhuǎn)換器便于傳輸測(cè)量結(jié)果，無(wú)需額外設(shè)置ADC 模塊。通過(guò)SPI 通信接口可以與主控模塊進(jìn)行通信，多片LTC6811 芯片可以采用菊花鏈形式實(shí)現(xiàn)更多電池檢測(cè)，選用數(shù)字芯片Si8441 進(jìn)行隔離，僅需底層芯片通過(guò)isoSPI 端口與主控模塊連接。

LTC6811 芯片電壓測(cè)量電路如圖2 所示。利用芯片電壓采集端測(cè)量12 節(jié)電池的電壓，在測(cè)量支路上引入RC濾波電路，電阻為100 Ω，電容為10 μF，可以達(dá)到改善高頻噪聲干擾，降低電壓紋波等效果；在電池正負(fù)極上并聯(lián)一個(gè)穩(wěn)壓管，其值大于2 倍電池工作電壓，從而提高芯片的耐浪涌沖擊能力。

圖2 電壓測(cè)量電路

該文依托LTC6811芯片，設(shè)計(jì)了基于改進(jìn)的Buck-Boost型主動(dòng)均衡電路來(lái)實(shí)現(xiàn)電池的一致性管理[14]，電路如圖3所示。利用芯片的接口實(shí)現(xiàn)均衡電路開關(guān)管的控制，選用IRF2807型N溝道的MOSFET，最大電流可達(dá)20 A，VDS最大達(dá)到75 V，導(dǎo)通時(shí)間短，阻抗小；二極管選擇IN5822 型肖特基二極管，正向?qū)▔航敌。梢蕴岣呔庑剩辉贛OSFET 的源柵極之間并聯(lián)1 kΩ電阻，可以防止柵極電壓過(guò)沖，同時(shí)改善電路EMC性能；考慮到LTC6811到電池的接線比較長(zhǎng)，均衡時(shí)高頻電流經(jīng)過(guò)導(dǎo)線造成能量損失，在電池正負(fù)極接口處并聯(lián)22 μF的陶瓷電容，從而提高均衡能量效率。

圖3 主動(dòng)均衡電路

2.3 電流及溫度采集電路

LTC6811 芯片內(nèi)部集成的ADC 模塊和通用I/O(GPIO)接口，為電流和溫度測(cè)量提供了便捷途徑，可將外部傳感器測(cè)量值轉(zhuǎn)換到電壓采樣系統(tǒng)中。使用DS18B20 型單線數(shù)字溫度傳感器，與熱敏電阻相比，其溫度測(cè)量精度更高，使用方便，溫度傳感器可通過(guò)一條數(shù)據(jù)總線并聯(lián)起來(lái)進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)溫度采集。電路設(shè)計(jì)如圖4 所示，溫度傳感器DS18B20的VCC 引腳接在+3.3 V 電源上進(jìn)行供電，GND 引腳接地，信號(hào)引腳線DQ 并聯(lián)至LTC6811 的一個(gè)I/O 口，并通過(guò)上拉電阻與高電平相連。

圖4 溫度測(cè)量電路

霍爾電流傳感器在檢測(cè)電流時(shí)靈敏度和精度均較高，選用閉環(huán)補(bǔ)償?shù)腃HB-200SF 型霍爾電流傳感器。電流采集電路如圖5 所示。霍爾電流傳感器將檢測(cè)到的原邊電流，經(jīng)過(guò)磁感應(yīng)效應(yīng)得到副邊電流，先通過(guò)電阻R16將檢測(cè)到的電流信號(hào)轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)，再對(duì)信號(hào)進(jìn)行降噪、反向、加法器等處理，最后將滿足條件的信號(hào)輸入到LTC6811 的I/O 接口，使用內(nèi)部ADC 轉(zhuǎn)換模塊，實(shí)現(xiàn)電壓和電流數(shù)據(jù)采集、轉(zhuǎn)換的同步性。

圖5 電流測(cè)量電路

2.4 電源模塊

主控模塊和采集模塊所用的芯片和元器件都需要不同的電壓供電，才能正常高效地工作，因此需要不同的DC/DC 電源模塊進(jìn)行電壓轉(zhuǎn)換[15]。設(shè)計(jì)中，各模塊采用電池組供電，不需要額外增加供電電源，電路中需要的電源電壓等級(jí)主要有12、5、3.3 V 等幾類。

通過(guò)LT3990 穩(wěn)壓電源芯片從電壓測(cè)量芯片所監(jiān)控的12 節(jié)串聯(lián)電池獲得供電，可將15～62 V 電壓轉(zhuǎn)換成12 V,然后使用隔離降壓電源芯片WRB 1205S將12 V 電壓轉(zhuǎn)換成5 V，最后利用XC6209芯片實(shí)現(xiàn)5 V 電壓到3.3 V 的轉(zhuǎn)換，其電路圖如圖6 所示。

圖6 電源轉(zhuǎn)換電路

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

在Code Warrior 開發(fā)環(huán)境中對(duì)主控模塊TMS3 20F2812 最小化系統(tǒng)進(jìn)行軟件開發(fā)，實(shí)現(xiàn)電池管理系統(tǒng)的核心控制功能，主要程序包括硬件系統(tǒng)初始化、數(shù)據(jù)采集、SOC 估算、主動(dòng)均衡管理、安全保護(hù)、通信配置等。軟件程序流程如圖7 所示。

圖7 軟件程序流程

系統(tǒng)首先進(jìn)行初始化設(shè)置，對(duì)時(shí)鐘、I/O口、通信等配置參數(shù)進(jìn)行初始化并賦值，然后運(yùn)行參數(shù)采集子程序，進(jìn)行電壓、電流和溫度的采樣，結(jié)果通過(guò)ADC 模塊轉(zhuǎn)換和SPI 串口通信上傳至DSP。基于無(wú)跡卡爾曼濾波算法的SOC 估算子程序和安全保護(hù)子程序同步運(yùn)行，檢測(cè)電池工作狀態(tài)，確保系統(tǒng)安全運(yùn)行[16]；以SOC 為均衡變量的主動(dòng)均衡子程序獲得電池SOC 后判斷均衡是否需要開啟，從而實(shí)現(xiàn)串聯(lián)電池一致性管理。最后通過(guò)CAN 總線通信與上位機(jī)、EMS、PCS 等外圍設(shè)備交流信息和控制指令。

4 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

該文以12 節(jié)電池串聯(lián)成電池組，作為電池管理系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)對(duì)象，主要對(duì)測(cè)量精度、均衡效果等內(nèi)容進(jìn)行驗(yàn)證。

4.1 檢測(cè)精度測(cè)試

電池狀態(tài)檢測(cè)是電池管理系統(tǒng)正常運(yùn)行的基礎(chǔ)，其檢測(cè)精度直接影響B(tài)MS 管理效果。使用Fluke 175C 數(shù)字萬(wàn)用表對(duì)串聯(lián)電池電壓進(jìn)行測(cè)試，并與電池管理系統(tǒng)電壓檢測(cè)結(jié)果作比較，結(jié)果如表1 所示。Fluke175C 數(shù)字萬(wàn)用表直流電壓測(cè)量分辨率達(dá)0.1 mV，具有極高的測(cè)量精度，可以作為實(shí)驗(yàn)真實(shí)值。從表1 數(shù)據(jù)看出，BMS 采樣值與萬(wàn)用表實(shí)測(cè)值之差在±5 mV 之內(nèi)，單體電池電壓測(cè)量精度高，滿足設(shè)計(jì)要求。

表1 電壓采集數(shù)據(jù)對(duì)比

利用恒溫箱對(duì)系統(tǒng)溫度采集精度進(jìn)行驗(yàn)證。將電池組置于恒溫箱中，設(shè)定恒溫箱溫度范圍為-10～+50 ℃，每10 ℃進(jìn)行一次實(shí)驗(yàn)，溫度采樣結(jié)果如表2所示。從表中可知，系統(tǒng)溫度采樣誤差在±1 ℃以內(nèi)，測(cè)量精度較高。

表2 溫度采集數(shù)據(jù)對(duì)比

4.2 均衡實(shí)驗(yàn)測(cè)試

對(duì)兩組串聯(lián)電池進(jìn)行測(cè)試，每組電池初始SOC對(duì)應(yīng)相同，組內(nèi)各單體電池最大SOC之差為6%，第一組電池接入均衡電路，第二組不接入均衡系統(tǒng)。通過(guò)電子負(fù)載對(duì)整個(gè)電池組進(jìn)行恒流放電，每隔3 min記錄上位機(jī)顯示的SOC數(shù)據(jù)，測(cè)試時(shí)間為30 min，結(jié)果如表3 所示。采用均衡系統(tǒng)的電池組最終單體電池SOC 誤差在1%以內(nèi)，而未均衡的電池組單體電池SOC最大誤差達(dá)到了6.09%，不一致性有變大的趨勢(shì)。

表3 電池SOC數(shù)據(jù)對(duì)比

5 結(jié)論

該文采用主從式架構(gòu)，為微電網(wǎng)儲(chǔ)能系統(tǒng)設(shè)計(jì)了一套電池管理系統(tǒng)，基于TMS320F2812和LTC6811芯片，通過(guò)模塊化電路設(shè)計(jì)，完成電池組狀態(tài)檢測(cè)、SOC 估算、均衡管理和安全保護(hù)等功能，可以實(shí)現(xiàn)串聯(lián)電池組的高效管理。通過(guò)系統(tǒng)實(shí)物驗(yàn)證，該設(shè)計(jì)電壓測(cè)量精度在5 mV 以內(nèi)，溫度測(cè)量精度為1 ℃，具有較高的檢測(cè)精度；基于SOC 的主動(dòng)均衡管理使電池組一致性控制在1%以內(nèi)，具有較好的均衡效果，為實(shí)際應(yīng)用提供較好的參考價(jià)值。