孟 青，楊 勃，?；鄯?，張 文，馮 杰，王金龍

(1.中北大學 朔州校區(qū)，太原 030051; 2.北京理工大學 機電工程學院，北京 100081)

0 引言

全釩液流電池(Vanadium Flow Battery,VFB)是綠色的產業(yè)化的新型液流電池之一[1]。釩電池具有容量大，功率和容量獨立設計，循環(huán)壽命長，綠色環(huán)保以及安全性高等特點，在光伏發(fā)電、后備電源、智能電網、軍用蓄電等領域都有寬泛的使用前景[2]。電池管理系統(Battery Management System，縮寫B(tài)MS)是電池與用戶之間的紐帶，可以提高電池的利用率，防止電池出現過充和過放，延長電池的壽命[3]。

國內外相關行業(yè)對BMS的研究和開發(fā)大部分都集中在電動汽車電池上[4]。全釩液流電池由于推廣較晚、推廣范圍較窄、控制設備昂貴以及調試環(huán)境欠缺的限制條件，釩電池的BMS研制較晚[5]。隨著釩電池的推廣，越來越多的研究機構和公司也開始重視釩電池管理系統的研發(fā)[6]。大部分研究機構像國網電力科學研究院武漢南瑞有限責任公司一樣，大多采用西門子S7-200型號PLC對釩流電池進行實時監(jiān)控和數據信息的采集[7]，但是PLC端口有限，擴展成本較高且增加智能化接口困難。本文以5 kW、30 kWh的VRB為對象，設計了一款基于STM32F103RB開發(fā)了全釩液流儲能電池(VFB)管理系統，該電池管理系統可實現電池側實時數據監(jiān)測、故障診斷以及保護，并能存儲和遠程上傳數據，端口擴展簡單且成本低。

1 VFB管理系統的整體設計

1.1 VFB的工作原理

VFB是一種不同價態(tài)釩離子作為正負極電活性物質，活性物質溶解于支持電解質中呈液態(tài)循環(huán)流動的新型氧化還原儲能液流電池[8]。VFB的工作原理圖如圖1所示，整個儲能電池由兩個半電池的電解液(正極電解液和負極電解液)，外接正負循環(huán)泵，電堆以及相關管路組成[9]。其工作原理：通過外接正負兩個交流循環(huán)泵，把儲液罐中的電解液泵入電堆內部，使其在不同的儲液罐和半電池的閉合回路中循環(huán)流動，在兩個氧化還原電堆的電勢差的作用下，進入半電池的電解液在電極表面發(fā)生氧化還原反應，使電池完成充放電[10]。

圖1 VFB工作原理圖

1.2 VFB管理系統的總體設計

本文設計的VFB管理系統是基于5 kW 30 kWh的全釩液流儲能電池而設計，電池的功率為5 kW，電堆電壓為48 V，容量可達30 kWh。全釩液流電池BMS的結構設計關鍵要考慮可擴展性，當儲能系統規(guī)模擴大時，電池管理系統應能夠方便的實現擴展、級聯和組網。BMS的總體組成框圖如圖2所示。系統主要有采集模塊、主控模塊、電源模塊、通信模塊、繼電控制模塊、黑啟動模塊和故障指示與報警七大模塊組成。

圖2 VFB管理系統總體設計框圖

采集模塊主要負責采集電池運行過程中的開關量和模擬量信號，包括按鈕信號、端電壓、電流以及溫度信號；控制模塊采用STM32芯片，根據采集的信號進行電池SOC估計，并根據信號的采集結果控制循環(huán)泵的啟停；電源模塊將48 V的釩電和鋰電分別轉換成24 V，5 V和逆變成220 V來給系統的各個模塊供電；通信模塊可以實現硬件電路與組態(tài)軟件的信號傳輸、可實現數據的遠程上傳和與外部其他模塊的通信；為了使VFB系統能夠實現黑啟動，增設了一個24 V鋰電池作為系統的黑啟動電源，并配備了黑啟動控制模塊用于控制黑啟動過程，通過雙向DC/DC變換器對24 V鋰電池進行充放電；繼電器模塊則在控制A板的控制下實現釩鋰切換，手自動切換和循環(huán)泵的啟停；故障指示與報警模塊可以根據指示燈的顏色變化和蜂鳴聲提示故障，便于操作人員及時排除故障。

2 VFB管理系統的硬件設計

為了保證VFB的穩(wěn)定可靠運行，在硬件電路設計過程中要充分考慮其抗干擾性、安全性和可靠性。VFB管理系統的硬件系統主要由主控電路、信號采集電路、供電電路和保護電路組成。

2.1 信號采集電路

信號采集電路主要包括電壓信號采集、電流信號采集以及溫度的采集，電路圖如圖3所示。由于STM32的工作電壓為3.3 V[11]，系統進行端電壓采集時，需要將端電壓的電壓信號轉換為0～3 V的電壓信號，然后系統對0～3 V的電壓信號進行采集。對VFB進行運行電流采集時，利用霍爾電流傳感器也是將電流轉換成0～3 V的電壓信號，然后系統對0～3 V的電壓信號進行采集。本文采用DS18B20進行電堆溫度采集，采集的溫度值轉換成電阻值，再將電阻值轉換成電壓值輸入值系統[12]。STM32自帶12位18通道的ADC轉換器，因此，采集到的電壓、電流和溫度信號經過轉換后進入STM32內置的ADC中進行轉換[13]。

圖3 信號采集電路

2.2 電源供電電路

電源是系統工作的動力。VFB管理系統中，系統啟動電壓和釩電池額定供電電壓為48 V，因此系統內置48 V的鋰電池用于啟動電源，一旦釩電池開始混液，并監(jiān)測釩電池端電壓達40 V，該電池管理系統自動切換至釩電池供電。

48 V的系統供電電源啟動后，一路經逆變器轉換成220 V給交流循環(huán)泵供電，另一路先轉換成24 V，給繼電器、顯示屏供電，再經由24 V轉5 V給電流傳感器和主控芯片供電。電源電路圖如4所示。

圖4 電源供電電路

2.3 保護電路

BMS系統中直交流信號共存，同時還有各種開關信號。為了減少電磁干擾，本系統采用光耦和繼電器二級保護設計。主控芯片STM32與tlp250相連進行直交流的隔斷，tpl250的輸出信號控制繼電器HFD27-024-S，進行二次干擾信號隔離。保護電路圖如圖5(a)和(b)所示。繼電器控制模塊包括正負泵的啟?？刂?、釩鋰電池的供電控制、手動自動的切換、緊急制動以及上電自鎖電路，本模塊由17個24 V的JRC-27F繼電器實現控制。為了提高安全性，自動控制電路與手動控制電路完全分離，手動控制全部由繼電器進行控制，尤在釩鋰輸入處采用兩路繼電器進行控制，大大提高了系統的可靠性，并對釩鋰電池的正負兩極同時進行控制，以避免出現不必要的電磁干擾，所述模塊留有一個繼電器與相應的接口根據控制需求可以進行擴展。

圖5 保護電路圖

3 VFB管理系統的軟件設計

VFB管理系統的功能包括循環(huán)泵的啟?？刂?、釩鋰切換控制、故障檢測與診斷、信號的采集、SOC估計以及相關參數校準。

系統上電后，初始化BMS，對VFB進行故障檢測，若系統連接有問題，則關閉泵與所有閥門，開啟故障狀態(tài)指示燈，發(fā)出警報提醒工作人員；若連接正常，采集電池參數，進入充放電控制，同時檢測開路電壓估算SOC，修正恒壓充電過程，控制循環(huán)泵的啟停并對電堆的溫度進行控制；當VFB系統因故障停運、工作電源消失時，進行釩鋰切換控制，由鋰電池輔助實現黑啟動，如圖6所示。

圖6 VFB管理系統的主程序圖

3.1 BMS的SOC估計程序

SOC估計是電池管理系統的基本功能，也是重要的功能之一，對于判斷電池運行狀況和控制電池充放電過程至關重要[14]。SOC的正確估計可以預估電池的剩余工作時間，防止出現過充或者過放，延長電池的使用壽命。對此，系統采用修正卡爾曼濾波實現SOC估計，保證SOC的估算精度和實時性。

修正卡爾曼濾波算法是綜合開路電壓法、安時積分法和卡爾曼濾波算法的優(yōu)點，在系統開機時使用開路電壓法，根據OVC-SOC關系如圖7所示，去確定SOC初始值，之后交替使用安時積分法和卡爾曼濾波法，以卡爾曼濾波法對安時積分法的估算結果進行修正，達到快速準確在線估算 SOC 的目的?；谛拚柭鼮V波算法的SOC估計流程圖如圖8所示。

圖7 VRB的OVC-SOC關系圖

圖8 修正卡爾曼濾波算法的流程圖

3.2 BMS的主控制程序

BMS控制程序主要通過交流循環(huán)泵的啟停操作達到對電池充放電的控制以及過充過放的保護。VFB工作時的狀態(tài)主要有充電、放電和待機。為了保證釩電池安全均衡高效充放電，并考慮實現的難易程度，控制電池的充電過程采用三段恒壓充電，即先快充再慢充最后涓流充，達到快速充電的目的；放電過程采用恒功率放電，驅動恒功率負載。

通過采集電池狀態(tài)參數，選擇電池充放電階段。進入不同階段后，通過開路電壓修正恒壓過程，即利用所估計的SOC值去修正充電電壓，從而實現精準控制。由于釩電池輸出電壓在42～60 V，充電過程中，將電壓過充保護閾值設置為60 V，同時在三段恒壓充電過程中，開始時電流很大，后逐漸減小，在充電末期僅有很小的電流通過，這里將快慢充電電流分界點電流設置為35 A。具體控制過程如下，其中I為電池工作電流，U為端電壓：

1)首先采集初始信號，當檢測到I>0且U<60 V，此時為充電狀態(tài)。然后判斷電流I是否大于等于35 A，若大于快慢充電流分界點，電池轉入快充，否則轉入慢充。

2)當進入快充階段時，采用大電流恒流充電(根據電池的特性，具體電流設置有一定區(qū)別)，待端電壓U上升至58 V，但也有可能因為慣性而超過58 V，將其設置為到58 V+0.03I后轉入慢充，否則仍處于快充，重復這個過程，繼續(xù)等待下一時刻采集的信號進行判斷。

3)當進入慢充階段時，采用58 V恒壓充電，待端電壓U上升到59 V+0.03I后轉入涓流充電，否則仍處于慢充，繼續(xù)等待下一時刻采集的信號進行判斷。

4)進入涓流充電階段，也就是恒流浮充階段后，設置電流低于35 A，或者更低，具體根據電池特性選擇。待檢測到U上升到截止電壓閾值60 V時，停泵結束整個充電過程，否則繼續(xù)涓流充電。

若不滿足充電且U<60 V時，如果U大于等于60 V則立即停泵，即停充停放。否則，電池進入放電工作模式。放電采用恒功率放電，電池端電壓下降，充電電流逐漸上升，將電壓過放保護閾值設置為42 V。放電工作模式為：當檢測到U大于等于42 V，繼續(xù)判斷電流I，若I小于35 A，繼續(xù)放電，若I大于等于35 A，繼續(xù)放電，直至電壓小于42 V，停泵結束放電過程。

充放電以及保護控制流程圖如圖9所示。

圖9 充放電控制流程圖

3.3 BMS的組態(tài)軟件設計

系統基于MCGS組態(tài)軟件進行上位機開發(fā)。上位機軟件可以實時的監(jiān)控電池的工作狀態(tài)、采集的相關參數、運行曲線、故障點以及進行參數校準，便于遠程VFB工作模式切換。

4 系統測試與分析

為了驗證數據采集精度以及運行的可靠性，對系統進行了模擬試驗和聯機測試。

4.1 充電方法測試比較

為了比較本文充電策略的優(yōu)劣性，將其與常規(guī)恒流恒壓控制方法進行對比。每一組做10次充電實驗，并將所測數據取平均值，得到相應的充電參數。實驗結果如表1所示，其中：t為充電時間，p為過充概率，SOC末為結束SOC，可知與常規(guī)充電相比，三段恒壓充電時間縮短25%，出現過充的概率不超過2%，在確保不過充的基礎上提高了充電效率。

表1 充電方法的比較

4.2 SOC精度測試

進行SOC精度測試，先將電池充電至SOC的90%，達到預定的截止電壓后停止充電，然后放電，每放電20分鐘記錄SOC估計結果，并測其開路電壓，根據E-SOC曲線的規(guī)律得到SOC實際值。當電池放電至10%SOC時停止放電，再次充電，記錄并比較充電狀態(tài)和開路電壓曲線。電池SOC測試結果如圖10所示，可以看出該算法的估計SOC結果接近實際值，SOC變化趨勢基本一致。采用修正卡爾曼濾波進行剩余電荷量估計，精度可控制在±2%以內。

圖10 SOC精度測試對比圖

4.3 信號采集精度測試試驗

在信號采集精度測試中，將BMS采集到的電池工作參數與讀取到的檢測值進行對比分析，參數的采樣誤差如圖11所示。結果表明電壓和電流采集通道的誤差在0.1%以內，溫度誤差在0.15%以內。模擬供電和現場聯機工作過程中，供電電源采集回的電壓、電流以及溫度，精度達到行業(yè)標準，VRB運行參數采集較為準確。

圖11 參數采樣誤差圖

4.4 通信誤碼率測試

誤碼率是衡量數據通信傳輸質量的常用指標，反映了數字系統的傳輸質量公式，是數據傳輸精度的指標。通信誤碼率測試主要是測試VFB管理系統的通信可靠性。測試設備采集控制部分的通信誤碼率，經檢測，可以證明系統通信穩(wěn)定，能夠可靠管理VFB。

除上述試驗外，還進行了溫度、電磁兼容、靜電放電等試驗，即系統在高低溫環(huán)境下受到靜電干擾、電磁干擾等，不會中斷通信。根據控制邏輯，系統可以正確的完成泵的啟停，使設備正常工作。

5 結束語

本文設計的全釩液流電池管理系統實現了電壓、電流、溫度等信號的采集以及工作狀態(tài)的監(jiān)測和控制。系統采用修正卡爾曼濾波法實現SOC估計，估計誤差可控制在2%以內。系統在設計過程中采用STM32，成本低，擴展空間大。此外，系統在硬件電路和軟件設計中分別采取濾波保證采集數據的精度，采用光耦加繼電器雙重隔離保證可靠性。系統經過實驗室測試和現場聯機測試，運行穩(wěn)定，可投入批量研制和生產。