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        基于STM32的全釩液流電池管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

        2020-09-26 00:58:28?;鄯?/span>王金龍
        關(guān)鍵詞:液流卡爾曼濾波管理系統(tǒng)

        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)。

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