磷酸铁锂储能电池管理系统设计

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1、磷酸铁锂储能电池管理系统设计宋春宁;童广浙;林小峰【摘要】结合储能电池的特点，设计了一套基于PC104和飞思卡尔MC9S12单片 机的电池管理系统.提出了电池管理系统整体设计方案,给出了具体的硬件设计和软 件设计实现对电池电压、电流和温度的监控,CAN总线和RS232串口通信的设计 和电池荷电状态(SOC )的估计.【期刊名称】 电源技术年(卷),期】 2015(039)010【总页数】3页(P2096-2098)【关键词】MC9S12;储能;电池管理系统；CAN通信【作 者】 宋春宁;童广浙;林小峰【作者单位】 广西大学电气工程学院,广西南宁530004;广西大学电气工程学院,广西南宁530

2、004;广西大学电气工程学院,广西南宁530004【正文语种】 中 文【中图分类】 TM911近年来，随着传统能源的枯竭和环境保护的要求，全球新能源正加速发展。2011年，全球风电、光伏的装机容量已分别达到238和28 GW。根据发展预测，到 2020年，全球风电、光伏将分别达到1 260和200 GW1。但是由于受到气候 条件变化等的影响，风电、光伏等新能源发电表现出波动性、间歇性、随机性等特 点，对接入电网的稳定运行造成极大影响2。应用电池储能技术可以实现削峰填 谷，平衡电力负荷，提高供电可靠性，改善电能质量，很大程度克服了新能源发电 的缺点3。在储能电站中，磷酸锂铁电池储能电站具有占地面

3、积小、效率高、转换快、安全可 靠、运行灵活、环境友好、维护简单、建设工期短等特点4。随着磷酸铁锂电池 成本的降低，磷酸锂铁电池储能电站必将成为储能技术的热点和重点。研究储能电 池的电池管理系统(BMS )是实现储能技术的基础和关键。它能延长储能电池的使用 寿命，降低使用成本，提高使用效率和使用安全，并能记录和查询使用数据。由于储能电池数量庞大，为了使用安全和效率，本设计采用了以12个180 Ah单 体电池串联为一组的成组模块化技术。相应的储能电池管理系统分为两级，总电池 管理系统检测电池组的总电压、电流数据，接收子系统的数据并通过以太网和串口 分别在监控主机和工业现场人机界面上显示所有电池的参

4、数，估计电池组的荷电状 态(SOC)，并与电力转换系统(PCS)实现互联，负责接入电网。总电池管理系统采用PC104 工控主板结构，PC104系统采用了多个功能模块板进 行互相堆栈的形式，占用空间非常小，功耗也比传统PC低得多。PC104硬件资 源非常丰富，使用PC104省去FAD转换模块、CAN通信、以太网、RS232通 信等模块的硬件电路设计，提高了系统设计的效率和可靠性，减少了设计的成本和 复杂性。PC104比一些单片微处理器更适合于需要大量数据处理、高速传输网络、 人机界面显示和高可靠性的场合。图1为储能电池管理系统结构示意图。BMS子系统检测单体电池的电压、电流和温度，估计单体电池的

5、SOC,并把数据 通过CAN总线发送到上级管理系统中进行监控界面显示和进一步数据处理。在 BMS子系统中，采用Freescale的16 bit微处理器MC9S12XS128作为系统的 微控制器(MCU)。其片内集成了所有设计时需要的模块，包括SPI通信、AD采 集、SCI通信、CAN总线等，不需要外部扩展就可以实现BMS所有的功能。BMS工作时，电压采集芯片LTC6802-2采集电池组单体电池的电压并通过SPI 把数据传输给MCU,霍尔电流传感器检测电池组的工作电流通过MCU的A/D转 换模块转换成电流参数，温度传感器18B20通过单总线结构实现多个级联并由 MCU的I/O 口实现温度的转换和

6、读取。MCU通过实时的电压、电流参数估计电 池的SOC，通过RS232串口把数据传输到上位机，并把数据和上位机软件系统上 设置的上下限警报数据进行对比。当达到警报值时，在上位机上显示警报信息并使 MCU通过控制电路控制实现电池组通断等安全操作，在工业现场可以安装触摸液 晶显示屏实现现场的实时监控。MCU通过CAN总线接口实现多个子系统和总系 统的互联。图2为BMS子系统设计方案框架图。2.1 电压采集磷酸铁锂电池的电压是一个非常重要的参数。电池的SOC和安全状况都与电池的 开路电压相对应，精确测量电池电压是计算SOC的基础也是判断电池过充过放的 依据。电池单体电压检测使用Linear公司的LT

7、C6802-2芯片，一片芯片能在13 ms内完成12个单体电池电压的测量和转换，测量精度为0.25%。和其它电压采 集方式相比，基于LTC6802-2的电压采集可以省去大量的器件，大大减少电路板 的体积，降低了采集电路的功耗，方便模块的扩展，提高系统的稳定性。每片LTC6802-2可以同时测量12个锂电池的电压（最高电压不超过60 V），是一 个完整的带12位数模转换、精确参考电压、高压多路输入和SPI接口的电池电压 检测芯片。每片LTC6802-2自带4位地址位，可以扩展到最多16片芯片，特别 适合大量储能电池的检测。多个芯片连接时，它们能同时工作保证所有电池在13 ms内得到测量。图3为第

8、一片LTC6802-2电路连接示意图。2.2 电流采集 相对于电压、温度其他物理量，电流监测具有以下特点：其一，电流的采样通道少 储能电池往往串联使用，各电池的工作电流相同，只需对总电流进行监测。其二， 电流的采样频率高。电流的采样频率对SOC的估计精度和系统的安全性都有重要 的影响，因此应保证电流的高采样频率。 由于采用分流器测电流存在热损耗和隔离的问题5，本设计采用基于霍尔传感器 的电流监测。霍尔传感器集成了放大电路，只需向放大电路供电就可以精确地采集 电流。霍尔电流传感器输出电压-5 5 V,精度为0.5%,使用MCU的12位A/D转换模块进行实时转换。2.3 温度采集在对电池的SOC进

9、行估计时，必须考虑温度的影响，因为在不同的温度下，电池 放出的电荷是不同的。温度高时,电池电化学反应速率增加,释放的能量也相应增 加。但是温度过高,会导致电池膨胀,外壳破裂,发生漏液,严重时导致燃烧并爆 炸。温度过低，电解液可能冻结，电化学反应降低，电池性能严重下降。BMS 中,对单体电池、环境温度和电池箱温度进行温度监测,温度过高时采用并行风冷 系统进行降温,达到警戒值时通过控制电路直接断开充放电回路开关并报警。温度 过低时,采用暖风机或提高室温等方式温和升温,保证电池工作在适合温度之间, 这对SOC的评算和电池的安全保护都非常重要。温度检测的方案主要有热敏电阻方式、18B20方式、专用芯片

10、如DS2782方式等。 考虑到成本、精度、设计难度等，本设计采用18B20。18B20的检测温度范围为- 55 +125C,最高可达12位分辨率，12位分辨率时的最大工作周期为750 ms , 精度为0.5C,采用全数字温度输出和先进的单总线数据通信。应用单总线方式 级联多个传感器,可以实现对多点温度同时采集。2.4 CAN通信CAN 通信是一种技术先进、成本低廉、安全可靠、功能完善的网络通信控制方式。CAN总线是唯一成为国际标准的现场总线，也是国际上应用最广泛的现场总线之 一7。本设计中采用MCU自带的CAN控制器，CAN收发器为Philips公司的TJA1050。 为了加强设计的通用性和可

11、扩展性，CAN协议采用国内机械标准JB/T 11138- 2011锂离子蓄电池总成接口和通信协议。图4为单体锂电池状态报文，CID为报 文标识符，CHAR-MODE和BMS-MODE为电池类型、工作状态等电池状态标识 码。CAN模块的设计包括初始化、发收数据、检错校验。CAN初始化完成后进入了工 作模式，将电压、温度等数据按照报文格式写入CAN发送缓冲器中等待发送，发 送的数据帧包含帧起始、仲裁场、控制场、数据场、CRC场、应答场和帧结尾， 得到发送请求后把数据发送出去。CAN模块的数据接收环节也要同样初始化，设 置相同的CAN总线频率，通过标识码和校验码的识别后决定是否接收数据，最后 按优先

12、级顺序完成接收数据。微处理器上的程序设计使用飞思卡尔CodeWarrior编译环境。微处理器上主要的 程序为硬件初始化、数据采集、通信配置、故障警报、数据存储等，根据不同的功 能分成不同的模块，提高程序的可读性和效率。图5为微处理器软件设计的流程 图。上位机使用VC6.0进行监控界面的设计和开发，开发界面使用MFC(Microsoft Foundation Classes)，显示电池所有的参数。监控人机界面采用Kinco公司的EV5000系列工业嵌入式触摸屏人机界面，使用 eView 组态编辑软件开发界面。人机界面的主要功能有实时显示监控电池的电压、 电流和温度参数、显示电压变化曲线、显示电池

13、状态、设置和显示警报等。人机界 面主页面如图6所示。SOC值的大小直接反映了电池所处的状态。为了解决一般SOC估算不能准确计算 的问题，本设计采用基于安时法配合开路电压法进行SOC估算，这两种算法的配 合可以有效控制SOC计算误差，保证电池的工作效率，提高使用寿命。安时法是最常用的SOC估计方法。如果充放电起始状态为SOC0，当前状态的 soc为：为额定容量，为电池电流，n为充放电效率。在安时法应用中如果电流 测量不准，将造成SOC计算误差逐渐积累，最终导致误差越来越大，电池充放电 效率对测量误差也有影响。开路电压法是利用开路电压和SOC成一定的关系来估算SOC。磷酸铁锂电池的开 路电压与SO

14、C关系的线性度在充放电初期和末期比较好，其它充放电期间的线性 度较小，难以准确估计SOC。这里采用安时法结合开路电压法，在充放电初期和 末期采用开路电压法矫正安时法的积累误差，在充放电中期主要采用计量准确的安 时法，可以得到较为理想的精度。该文设计开发了磷酸铁锂储能电池管理系统，通过实际电池的测试和实验实现了实 时检测各种运行参数、数据传输、故障诊断和报警等功能，为储能电池的应用提供 了基础。【相关文献】1 王文亮，秦明，刘卫大规模储能技术在风力发电中的应用研究C/第十二届中国科学技术协会年会论文集.福州：第十二届中国科学技术协会年会，2010:1-6.2 田军，朱永强，陈彩虹储能技术在分布式发电中的应用J.电气技术，2010(8):28-32.3 强占云，鞠建永，吴福保，等适用于分布式发电的储能技术比较J.农村电气化，2011 (4):58-60.4 俞恩科，陈梁金大规模电力储能技术的特性与比较J.浙江电力，2011(12):4-8.5 胡银全，刘和平，张毅，等磷酸铁锂动力电池组容量损耗分析J.武汉理工大学学报，2011,33(9):130-134.李哲，韩雪冰，卢兰光，等动力型磷酸铁锂电池的温度特性J.机械工程学报，2011,47(18):115-120.7连子峰，郑杭波，齐国光基于CAN总线的分布式电池管理系统J.电源技术应用， 2003,6(1):41-44.