孟 青，楊 勃，牛慧芳，張 文，馮 杰，王金龍

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

0 引言

全釩液流電池(Vanadium Flow Battery,VFB)是綠色的產(chǎn)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(dú)立設(shè)計(jì)，循環(huán)壽命長(zhǎng)，綠色環(huán)保以及安全性高等特點(diǎn)，在光伏發(fā)電、后備電源、智能電網(wǎng)、軍用蓄電等領(lǐng)域都有寬泛的使用前景[2]。電池管理系統(tǒng)(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(xiàn)過(guò)充和過(guò)放，延長(zhǎng)電池的壽命[3]。

國(guó)內(nèi)外相關(guān)行業(yè)對(duì)BMS的研究和開(kāi)發(fā)大部分都集中在電動(dòng)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(shè)備昂貴以及調(diào)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(lái)越多的研究機(jī)構(gòu)和公司也開(kāi)始重視釩電池管理系統(tǒng)的研發(fā)[6]。大部分研究機(jī)構(gòu)像國(guó)網(wǎng)電力科學(xué)研究院武漢南瑞有限責(zé)任公司一樣，大多采用西門子S7-200型號(hào)PLC對(duì)釩流電池進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控和數(shù)據(jù)信息的采集[7]，但是PLC端口有限，擴(kuò)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(duì)象，設(shè)計(jì)了一款基于STM32F103RB開(kāi)發(fā)了全釩液流儲(chǔ)能電池(VFB)管理系統(tǒng)，該電池管理系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)電池側(cè)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)、故障診斷以及保護(hù)，并能存儲(chǔ)和遠(yuǎn)程上傳數(shù)據(jù)，端口擴(kuò)展簡(jiǎn)單且成本低。

1 VFB管理系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)

1.1 VFB的工作原理

VFB是一種不同價(jià)態(tài)釩離子作為正負(fù)極電活性物質(zhì)，活性物質(zhì)溶解于支持電解質(zhì)中呈液態(tài)循環(huán)流動(dòng)的新型氧化還原儲(chǔ)能液流電池[8]。VFB的工作原理圖如圖1所示，整個(gè)儲(chǔ)能電池由兩個(gè)半電池的電解液(正極電解液和負(fù)極電解液)，外接正負(fù)循環(huán)泵，電堆以及相關(guān)管路組成[9]。其工作原理：通過(guò)外接正負(fù)兩個(gè)交流循環(huán)泵，把儲(chǔ)液罐中的電解液泵入電堆內(nèi)部，使其在不同的儲(chǔ)液罐和半電池的閉合回路中循環(huán)流動(dòng)，在兩個(gè)氧化還原電堆的電勢(shì)差的作用下，進(jìn)入半電池的電解液在電極表面發(fā)生氧化還原反應(yīng)，使電池完成充放電[10]。

圖1 VFB工作原理圖

1.2 VFB管理系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)的VFB管理系統(tǒng)是基于5 kW 30 kWh的全釩液流儲(chǔ)能電池而設(shè)計(jì)，電池的功率為5 kW，電堆電壓為48 V，容量可達(dá)30 kWh。全釩液流電池BMS的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)關(guān)鍵要考慮可擴(kuò)展性，當(dāng)儲(chǔ)能系統(tǒng)規(guī)模擴(kuò)大時(shí)，電池管理系統(tǒng)應(yīng)能夠方便的實(shí)現(xiàn)擴(kuò)展、級(jí)聯(lián)和組網(wǎng)。BMS的總體組成框圖如圖2所示。系統(tǒng)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(dòng)模塊和故障指示與報(bào)警七大模塊組成。

圖2 VFB管理系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)框圖

采集模塊主要負(fù)責(zé)采集電池運(yùn)行過(guò)程中的開(kāi)關(guān)量和模擬量信號(hào)，包括按鈕信號(hào)、端電壓、電流以及溫度信號(hào)；控制模塊采用STM32芯片，根據(jù)采集的信號(hào)進(jìn)行電池SOC估計(jì)，并根據(jù)信號(hào)的采集結(jié)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(zhuǎn)換成24 V，5 V和逆變成220 V來(lái)給系統(tǒng)的各個(gè)模塊供電；通信模塊可以實(shí)現(xiàn)硬件電路與組態(tài)軟件的信號(hào)傳輸、可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程上傳和與外部其他模塊的通信；為了使VFB系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)黑啟動(dòng)，增設(shè)了一個(gè)24 V鋰電池作為系統(tǒng)的黑啟動(dòng)電源，并配備了黑啟動(dòng)控制模塊用于控制黑啟動(dòng)過(guò)程，通過(guò)雙向DC/DC變換器對(duì)24 V鋰電池進(jìn)行充放電；繼電器模塊則在控制A板的控制下實(shí)現(xiàn)釩鋰切換，手自動(dòng)切換和循環(huán)泵的啟停；故障指示與報(bào)警模塊可以根據(jù)指示燈的顏色變化和蜂鳴聲提示故障，便于操作人員及時(shí)排除故障。

2 VFB管理系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

為了保證VFB的穩(wěn)定可靠運(yùn)行，在硬件電路設(shè)計(jì)過(guò)程中要充分考慮其抗干擾性、安全性和可靠性。VFB管理系統(tǒng)的硬件系統(tǒng)主要由主控電路、信號(hào)采集電路、供電電路和保護(hù)電路組成。

2.1 信號(hào)采集電路

信號(hào)采集電路主要包括電壓信號(hào)采集、電流信號(hào)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(tǒng)進(jìn)行端電壓采集時(shí)，需要將端電壓的電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換為0～3 V的電壓信號(hào)，然后系統(tǒng)對(duì)0～3 V的電壓信號(hào)進(jìn)行采集。對(duì)VFB進(jìn)行運(yùn)行電流采集時(shí)，利用霍爾電流傳感器也是將電流轉(zhuǎn)換成0～3 V的電壓信號(hào)，然后系統(tǒng)對(duì)0～3 V的電壓信號(hào)進(jìn)行采集。本文采用DS18B20進(jìn)行電堆溫度采集，采集的溫度值轉(zhuǎn)換成電阻值，再將電阻值轉(zhuǎn)換成電壓值輸入值系統(tǒng)[12]。STM32自帶12位18通道的ADC轉(zhuǎn)換器，因此，采集到的電壓、電流和溫度信號(hào)經(jīng)過(guò)轉(zhuǎn)換后進(jìn)入STM32內(nèi)置的ADC中進(jìn)行轉(zhuǎn)換[13]。

圖3 信號(hào)采集電路

2.2 電源供電電路

電源是系統(tǒng)工作的動(dòng)力。VFB管理系統(tǒng)中，系統(tǒng)啟動(dòng)電壓和釩電池額定供電電壓為48 V，因此系統(tǒng)內(nèi)置48 V的鋰電池用于啟動(dòng)電源，一旦釩電池開(kāi)始混液，并監(jiān)測(cè)釩電池端電壓達(dá)40 V，該電池管理系統(tǒng)自動(dòng)切換至釩電池供電。

48 V的系統(tǒng)供電電源啟動(dòng)后，一路經(jīng)逆變器轉(zhuǎn)換成220 V給交流循環(huán)泵供電，另一路先轉(zhuǎn)換成24 V，給繼電器、顯示屏供電，再經(jīng)由24 V轉(zhuǎn)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(hù)電路

BMS系統(tǒng)中直交流信號(hào)共存，同時(shí)還有各種開(kāi)關(guān)信號(hào)。為了減少電磁干擾，本系統(tǒng)采用光耦和繼電器二級(jí)保護(hù)設(shè)計(jì)。主控芯片STM32與tlp250相連進(jìn)行直交流的隔斷，tpl250的輸出信號(hào)控制繼電器HFD27-024-S，進(jìn)行二次干擾信號(hào)隔離。保護(hù)電路圖如圖5(a)和(b)所示。繼電器控制模塊包括正負(fù)泵的啟?？刂?、釩鋰電池的供電控制、手動(dòng)自動(dòng)的切換、緊急制動(dòng)以及上電自鎖電路，本模塊由17個(gè)24 V的JRC-27F繼電器實(shí)現(xiàn)控制。為了提高安全性，自動(dòng)控制電路與手動(dòng)控制電路完全分離，手動(dòng)控制全部由繼電器進(jìn)行控制，尤在釩鋰輸入處采用兩路繼電器進(jìn)行控制，大大提高了系統(tǒng)的可靠性，并對(duì)釩鋰電池的正負(fù)兩極同時(shí)進(jìn)行控制，以避免出現(xiàn)不必要的電磁干擾，所述模塊留有一個(gè)繼電器與相應(yīng)的接口根據(jù)控制需求可以進(jìn)行擴(kuò)展。

圖5 保護(hù)電路圖

3 VFB管理系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

VFB管理系統(tǒng)的功能包括循環(huán)泵的啟?？刂?、釩鋰切換控制、故障檢測(cè)與診斷、信號(hào)的采集、SOC估計(jì)以及相關(guān)參數(shù)校準(zhǔn)。

系統(tǒng)上電后，初始化BMS，對(duì)VFB進(jìn)行故障檢測(cè)，若系統(tǒng)連接有問(wèn)題，則關(guān)閉泵與所有閥門，開(kāi)啟故障狀態(tài)指示燈，發(fā)出警報(bào)提醒工作人員；若連接正常，采集電池參數(shù)，進(jìn)入充放電控制，同時(shí)檢測(cè)開(kāi)路電壓估算SOC，修正恒壓充電過(guò)程，控制循環(huán)泵的啟停并對(duì)電堆的溫度進(jìn)行控制；當(dāng)VFB系統(tǒng)因故障停運(yùn)、工作電源消失時(shí)，進(jìn)行釩鋰切換控制，由鋰電池輔助實(shí)現(xiàn)黑啟動(dòng)，如圖6所示。

圖6 VFB管理系統(tǒng)的主程序圖

3.1 BMS的SOC估計(jì)程序

SOC估計(jì)是電池管理系統(tǒng)的基本功能，也是重要的功能之一，對(duì)于判斷電池運(yùn)行狀況和控制電池充放電過(guò)程至關(guān)重要[14]。SOC的正確估計(jì)可以預(yù)估電池的剩余工作時(shí)間，防止出現(xiàn)過(guò)充或者過(guò)放，延長(zhǎng)電池的使用壽命。對(duì)此，系統(tǒng)采用修正卡爾曼濾波實(shí)現(xiàn)SOC估計(jì)，保證SOC的估算精度和實(shí)時(shí)性。

修正卡爾曼濾波算法是綜合開(kāi)路電壓法、安時(shí)積分法和卡爾曼濾波算法的優(yōu)點(diǎn)，在系統(tǒng)開(kāi)機(jī)時(shí)使用開(kāi)路電壓法，根據(jù)OVC-SOC關(guān)系如圖7所示，去確定SOC初始值，之后交替使用安時(shí)積分法和卡爾曼濾波法，以卡爾曼濾波法對(duì)安時(shí)積分法的估算結(jié)果進(jìn)行修正，達(dá)到快速準(zhǔn)確在線估算 SOC 的目的?；谛拚柭鼮V波算法的SOC估計(jì)流程圖如圖8所示。

圖7 VRB的OVC-SOC關(guān)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(guò)交流循環(huán)泵的啟停操作達(dá)到對(duì)電池充放電的控制以及過(guò)充過(guò)放的保護(hù)。VFB工作時(shí)的狀態(tài)主要有充電、放電和待機(jī)。為了保證釩電池安全均衡高效充放電，并考慮實(shí)現(xiàn)的難易程度，控制電池的充電過(guò)程采用三段恒壓充電，即先快充再慢充最后涓流充，達(dá)到快速充電的目的；放電過(guò)程采用恒功率放電，驅(qū)動(dòng)恒功率負(fù)載。

通過(guò)采集電池狀態(tài)參數(shù)，選擇電池充放電階段。進(jìn)入不同階段后，通過(guò)開(kāi)路電壓修正恒壓過(guò)程，即利用所估計(jì)的SOC值去修正充電電壓，從而實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)控制。由于釩電池輸出電壓在42～60 V，充電過(guò)程中，將電壓過(guò)充保護(hù)閾值設(shè)置為60 V，同時(shí)在三段恒壓充電過(guò)程中，開(kāi)始時(shí)電流很大，后逐漸減小，在充電末期僅有很小的電流通過(guò)，這里將快慢充電電流分界點(diǎn)電流設(shè)置為35 A。具體控制過(guò)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(hào)，當(dāng)檢測(cè)到I>0且U<60 V，此時(shí)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(diǎn)，電池轉(zhuǎn)入快充，否則轉(zhuǎn)入慢充。

2)當(dāng)進(jìn)入快充階段時(shí)，采用大電流恒流充電(根據(jù)電池的特性，具體電流設(shè)置有一定區(qū)別)，待端電壓U上升至58 V，但也有可能因?yàn)閼T性而超過(guò)58 V，將其設(shè)置為到58 V+0.03I后轉(zhuǎn)入慢充，否則仍處于快充，重復(fù)這個(gè)過(guò)程，繼續(xù)等待下一時(shí)刻采集的信號(hào)進(jìn)行判斷。

3)當(dāng)進(jìn)入慢充階段時(shí)，采用58 V恒壓充電，待端電壓U上升到59 V+0.03I后轉(zhuǎn)入涓流充電，否則仍處于慢充，繼續(xù)等待下一時(shí)刻采集的信號(hào)進(jìn)行判斷。

4)進(jìn)入涓流充電階段，也就是恒流浮充階段后，設(shè)置電流低于35 A，或者更低，具體根據(jù)電池特性選擇。待檢測(cè)到U上升到截止電壓閾值60 V時(shí)，停泵結(jié)束整個(gè)充電過(guò)程，否則繼續(xù)涓流充電。

若不滿足充電且U<60 V時(shí)，如果U大于等于60 V則立即停泵，即停充停放。否則，電池進(jìn)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(guò)放保護(hù)閾值設(shè)置為42 V。放電工作模式為：當(dāng)檢測(cè)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(jié)束放電過(guò)程。

充放電以及保護(hù)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(shè)計(jì)

系統(tǒng)基于MCGS組態(tài)軟件進(jìn)行上位機(jī)開(kāi)發(fā)。上位機(jī)軟件可以實(shí)時(shí)的監(jiān)控電池的工作狀態(tài)、采集的相關(guān)參數(shù)、運(yùn)行曲線、故障點(diǎn)以及進(jìn)行參數(shù)校準(zhǔn)，便于遠(yuǎn)程VFB工作模式切換。

4 系統(tǒng)測(cè)試與分析

為了驗(yàn)證數(shù)據(jù)采集精度以及運(yùn)行的可靠性，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行了模擬試驗(yàn)和聯(lián)機(jī)測(cè)試。

4.1 充電方法測(cè)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(jìn)行對(duì)比。每一組做10次充電實(shí)驗(yàn)，并將所測(cè)數(shù)據(jù)取平均值，得到相應(yīng)的充電參數(shù)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表1所示，其中：t為充電時(shí)間，p為過(guò)充概率，SOC末為結(jié)束SOC，可知與常規(guī)充電相比，三段恒壓充電時(shí)間縮短25%，出現(xiàn)過(guò)充的概率不超過(guò)2%，在確保不過(guò)充的基礎(chǔ)上提高了充電效率。

表1 充電方法的比較

4.2 SOC精度測(cè)試

進(jìn)行SOC精度測(cè)試，先將電池充電至SOC的90%，達(dá)到預(yù)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(jì)結(jié)果，并測(cè)其開(kāi)路電壓，根據(jù)E-SOC曲線的規(guī)律得到SOC實(shí)際值。當(dāng)電池放電至10%SOC時(shí)停止放電，再次充電，記錄并比較充電狀態(tài)和開(kāi)路電壓曲線。電池SOC測(cè)試結(jié)果如圖10所示，可以看出該算法的估計(jì)SOC結(jié)果接近實(shí)際值，SOC變化趨勢(shì)基本一致。采用修正卡爾曼濾波進(jìn)行剩余電荷量估計(jì)，精度可控制在±2%以內(nèi)。

圖10 SOC精度測(cè)試對(duì)比圖

4.3 信號(hào)采集精度測(cè)試試驗(yàn)

在信號(hào)采集精度測(cè)試中，將BMS采集到的電池工作參數(shù)與讀取到的檢測(cè)值進(jìn)行對(duì)比分析，參數(shù)的采樣誤差如圖11所示。結(jié)果表明電壓和電流采集通道的誤差在0.1%以內(nèi)，溫度誤差在0.15%以內(nèi)。模擬供電和現(xiàn)場(chǎng)聯(lián)機(jī)工作過(guò)程中，供電電源采集回的電壓、電流以及溫度，精度達(dá)到行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，VRB運(yùn)行參數(shù)采集較為準(zhǔn)確。

圖11 參數(shù)采樣誤差圖

4.4 通信誤碼率測(cè)試

誤碼率是衡量數(shù)據(jù)通信傳輸質(zhì)量的常用指標(biāo)，反映了數(shù)字系統(tǒng)的傳輸質(zhì)量公式，是數(shù)據(jù)傳輸精度的指標(biāo)。通信誤碼率測(cè)試主要是測(cè)試VFB管理系統(tǒng)的通信可靠性。測(cè)試設(shè)備采集控制部分的通信誤碼率，經(jīng)檢測(cè)，可以證明系統(tǒng)通信穩(wěn)定，能夠可靠管理VFB。

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

5 結(jié)束語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)的全釩液流電池管理系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了電壓、電流、溫度等信號(hào)的采集以及工作狀態(tài)的監(jiān)測(cè)和控制。系統(tǒng)采用修正卡爾曼濾波法實(shí)現(xiàn)SOC估計(jì)，估計(jì)誤差可控制在2%以內(nèi)。系統(tǒng)在設(shè)計(jì)過(guò)程中采用STM32，成本低，擴(kuò)展空間大。此外，系統(tǒng)在硬件電路和軟件設(shè)計(jì)中分別采取濾波保證采集數(shù)據(jù)的精度，采用光耦加繼電器雙重隔離保證可靠性。系統(tǒng)經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)室測(cè)試和現(xiàn)場(chǎng)聯(lián)機(jī)測(cè)試，運(yùn)行穩(wěn)定，可投入批量研制和生產(chǎn)。