蓄电池自我监控系统的研发

蓄电池自我监控系统的研发
吴比;许傲然;闫尔康;程翀
【摘要】随着电子开关技术和智能微电网技术的发展,研发大容量蓄电池控制系统成为了亟待解决的问题.提出了针对大容量蓄电池的控制系统,可以提高电池使用的安全性,使用寿命,使用效率,同时降低成本.所设计的蓄电池控制系统具有以下功能:蓄电池充放电电压监控,电流监控,内阻、温度监控.进行了蓄电池并网的充放电试验,验证了系统的合理性和正确性.
【期刊名称】《沈阳工程学院学报（自然科学版）》
【年(卷),期】2014(010)002
【总页数】3页(P148-150)
【关键词】蓄电池;电池管理系统;电池均衡
【作者】吴比;许傲然;闫尔康;程翀
【作者单位】沈阳工程学院电力学院,辽宁沈阳110136;沈阳工程学院电力学院,辽宁沈阳110136;沈阳工程学院电力学院,辽宁沈阳110136;沈阳工程学院电力学院,辽宁沈阳110136
【正文语种】中文
【中图分类】TM912
蓄电池，无论是使用广泛的铅酸电池，还是具有广阔发展空间的锂离子电池，在充放电过程中，最怕的就是过充电和过放电.一旦发生过充电或者过放电，电池就会
发生损坏，使用容量降低，寿命减短.严重的情况下，还会发生爆炸或者起火燃烧.
特别是锂离子电池，由于电池过充，过放电通常会引起爆燃现象.因此，蓄电池在
使用过程中应当引入电池的自我监控系统，这是保证电池安全、性能、寿命必不可少的措施.由于电池的一致性误差会引起电池自身发生过充、过放电的现象.同时，
由于蓄电池组中各个单体电池的制造和使用条件不同，其特性也存在着差异.如蓄
电池的内阻、电压、容量和自放电率，在不同充放电倍率、不同荷电状态、不同的使用方式下，是有差异的.如果在充电、放电过程中没有得到有效控制，将导致电
池容量和寿命的急剧下降，还可能引起事故的发生.这是蓄电池使用中经常出现的
问题.
因此，近几十年来，国内外学者都致力于解决蓄电池自我监控系统中误差所带来的危害，开发出了各种各样的电池自我管理系统(BMS).针对大容量蓄电池的自我监
控系统具有高低压、高低温和过流短路等多项常规保护功能和储备电量的测量功能.基于目前的研究状况，大容量蓄电池的控制管理系统属于行业空白.提出的带有太
阳能充电系统的大容量蓄电池控制系统原理框图如图1所示，本系统可以利用通
信传感器技术实时显示蓄电池的状态，同时通过控制器控制蓄电池的充放电.充放
电试验的结果验证了所提出控制系统的合理性.
图1 系统原理
1 蓄电池管理系统
1.1 系统设计方案
1)设计思路.当输出过载也即输出电流超出设定值时，能够自动切断电源的输出，
实现电池的自身过载保护.对于这种过载或是短路发生在两极之间时，此设计响应
更快，并且在过载或短路解除前这种状态使系统持续可靠，而当短路或过载消失时，电池可实现自动恢复供电，不需要人为控制，这就是电池自我控制系统与常规电池的主要区别，在蓄电池内部正极串联了控制系统.
2)电池由充电装置、蓄电池组、调压装置、配电开关和相关控制、信号采集、保护、调节等单元组成.系统具备遥控监视功能:①遥信.采集远程信息，包括充放电工作状态、馈线回路状态、电池工作状态、绝缘状态、交流电源状态;②遥测.远程监测，
包括充电模块电压、电流、蓄电池组电压、电流、电池组及母线对地绝缘电阻;③
遥控.远程控制.
1.2 控制器的功能
控制器芯片是整个系统的核心部分.主要是对于蓄电池状态信号的采集、传输、处理，并对蓄电池充放电的过程进行控制信号管理.系统采用ATmega16L，它通过
单片机模式提供Flash、EEPROM和10位ADC，数据吞吐高达1M IPS/MHz，
可以减缓功耗和处理速度之间的矛盾.
1)蓄电池充放电电压监控
控制器可以实现对蓄电池单节电池电压、单组电池电压和蓄电池整体的电压监控，测量数据采用RS485方式传输到采集设备.
2)蓄电池电流监控
通过互感器对电池的充放电电流进行实时监测，测量数据采用RS485方式传输到
采集设备.
3)蓄电池内阻、温度的监测
内阻采用SOC在线监测，对于蓄电池体的温度采用实时监控的方式，两个数据都通过RS485方式传输到采集设备.
1.3 程序设计
1)显示控制程序
显示控制程序单元通过RS485通信总线对数据采集单元下发遥测命令.显示控制单元每隔15min对每个数据单元下发采集命令，并将采集的数据进行分析.
2)显示数据程序
显示控制单元不但可以对控制数据进行采集和上传，而且能够对于电池运行异常进行实时报警和分析，并给出蓄电池的性能曲线.
蓄电池运行出现异常时，本程序设有以下报警:蓄电池单体电压过高/低报警、蓄电池组电压过高/低报警、蓄电池电流过大报警、蓄电池内阻异常报警、蓄电池容量不足报警等.
2 蓄电池监控系统数据测试验证
设定蓄电池的标准电压值，利用标准仪表和控制系统共同测量相关蓄电池参数，对比结果如下表1～3所示.
表1 电压测试数据V标准电压测量结果0.500 0.498 1.000 0.999 1.500 1.495 2.000 1.999 2.500 2.499 3.000 2.998
表2 电流测试数据A标准电流测量结果1.00 1.025 5.00 5.015 10.0 10.22 50.0 50.82 100.0 100.3 200.0 201.5
表3 内阻测试数据mΩ标准内阻测量结果0.10 0.105 0.20 0.196 0.50 0.498 1.00 1.050 2.00 2.090 5.00 5.022
以上测量结果说明，蓄电池的测量参数误差均在5%之内，均已达到预计的测量精度.
3 充放电试验
将模拟电源断开、变流器交流侧的断路器闭合后进行蓄电池充放电试验，蓄电池和电网的能量相互交换，本次试验蓄电池侧DC/DC变换器采用电流控制方式，给定电流指令，通过反馈做差后经PI调节器得到占空比，从而控制双向DC/DC电路的充放电电流.充放电试验波形如图2所示.
图2 充放电试验波形
蓄电池容量为96 Ah，蓄电池的充电指令为30 A，放电指令为40 A.蓄电池充电时，三相PWM整流器工作在整流状态，直流侧充电电流稳定在30A.蓄电池放电
时，三相PWM整流器工作在逆变状态，直流侧放电电流稳定在40 A.
4 结语
随着蓄电池在电力、通信等领域的广泛应用，蓄电池智能化管理和应用已成为广泛关注的问题，尤其是蓄电池内阻以及内部容量的快速计算已经成为研究热点.本文
研究的这套系统主要采集蓄电池电压、电流、温度、内阻等重要参数，对蓄电池的运行状态进行实时监控，同时通过对开关器件的控制进行电池充放电控制.测量和
充放电对比试验结果证明了所提出的大容量蓄电池控制系统的正确性.参考文献［1］赵景焕，崔伯雄，常力，等.我国企业在电池管理系统的专利申请现状分析
及技术创新思考［J］.知识产权，2010，116(20):37－41.
［2］李松，孙明浩，刘昕晟.大容量蓄电池电压损失原因分析及对策［J］.通信电源技术，2007，24(2):65－69.
［3］朱建渠.光伏发电系统中蓄电池充电的数字控制研究［J］.电力电子技术，2011，(45):35－37.
［4］ Kim M，Myungsoo H，Eui J.Monitoring the battery status of photovoltaic system［J］.Journal of power sources，1997(1):193－196. ［5］罗志杰.浮充电流过大对阀控式蓄电池组的危害［J］.通信电源技术，2007，24(2):69－71.
［6］李小永，蔡斌，王亮，等.一种适用于无人通信站管理的蓄电池自动监测系
统［J］.通信技术，2003(6):58－61.
［7］李亚梅.动力蓄电池管理系统［D］.石家庄:河北科技大学，2009.。