DC?BANK系統(tǒng)中蓄電池組的均衡管理

魯芳　趙兀君

摘 要： 針對變頻器使用過程中遇到的電網(wǎng)“晃電”現(xiàn)象，為了提高變頻器抗“晃電”能力，提高DC?BANK系統(tǒng)的供電可靠性，確保蓄電池組充電安全和蓄電池使用壽命，設計了基于單片機控制的蓄電池組均衡管理方案。該方案中單片機采樣蓄電池的電流、電壓和溫度信號，經(jīng)過處理，判斷蓄電池不一致性，采取分流均衡的方法，實現(xiàn)均衡管理。構(gòu)建了蓄電池組的均衡管理系統(tǒng)框架，設計了分流均衡硬件電路，并給出了基于單片機匯編語言的流程圖。

關(guān)鍵詞： DC?BANK； 蓄電池； 分流； 均衡管理

中圖分類號： TN773?34； TM912.4 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2015）01?0137?03

Abstract： For the phenomenon of power grid “shake” in the application process of frequency converter， a battery equalization management scheme based on MCU was designed to improve the ability of anti shake of frequency converter and power supply reliability of DC?BANK system， and ensure the charging security and the service life of the batteries. In this scheme， MCU utilizes battery current， voltage and temperature signal， and judges the inconsistency of batteries after processing. The method of shunt equilibrium is adopted to realize equilibrium management. The framework of equilibrium management system of batteries is established in this paper. The hardware circuit of shunt equilibrium is designed. The flow chart based on MCU assembly language is given.

Keywords： DC?BANK； battery； shunt； equilibrium management

0 引 言

隨著變頻器在越來越多的工業(yè)領(lǐng)域的應用[1]，企業(yè)所遇到的“晃電”問題也越來越突出，特別是一些對供電可靠性要求較高的敏感負載的場合，“晃電”問題亟待解決。

“晃電”是業(yè)內(nèi)對電壓暫降的一種形象比喻。電壓暫降引發(fā)的原因有很多，比如大電網(wǎng)或者配網(wǎng)側(cè)的雷擊、大風、接地、短路等引起的保護動作，會產(chǎn)生用戶側(cè)的一個短時壓降；另外，用戶側(cè)的大負載啟動或者電氣故障也會引起同條線路上的暫時壓降。一般來說，電壓暫降持續(xù)時間為20～600 ms。目前，我國的配電系統(tǒng)平均可靠性為4個9，即全年平均停電時間為1 h，而各工業(yè)生產(chǎn)中的一些0類和1類負載要求的供電可靠性為9個9，即平均停電時間小于30 ms。針對“晃電”問題，目前業(yè)內(nèi)多采用DC?BANK系統(tǒng)[2]來提供不間斷直流電源，在小于200 μs的時間內(nèi)切換電源對變頻器直流母線供電，使得變頻器擁有交、直兩路冗余供電，從而提高供電可靠性，提高變頻器抗“晃電”能力。

DC?BANK系統(tǒng)通常包含充電器、電池組、監(jiān)控單元、執(zhí)行單元等，其中一個核心單元是蓄電池組的充電及均衡管理。為了確保系統(tǒng)的供電可靠性，就必須保證蓄電池的性能及使用壽命。DC?BANK系統(tǒng)中一般由幾十塊蓄電池串接而成，作為備用電源。串接蓄電池組的使用過程中，無法避免電池充電不均衡問題所帶來的危害，因而對電池組的均衡管理提出了更高的要求。

1 蓄電池均衡管理概述

由于單體電池容量有限，難以達到DC?BANK系統(tǒng)所需，所以往往將幾十節(jié)單體電池串接使用。蓄電池單體電池的循環(huán)使用壽命通?？梢赃_到幾百次甚至幾千次，但是串接蓄電池組的循環(huán)壽命卻遠遠低于這個水平。同時，蓄電池串接也會影響到使用時的充電效率、放電能力等。大量實驗數(shù)據(jù)表明，這是因為單體電池間的不一致性的原因造成的。

1.1 單體電池不一致性

單體電池不一致性是指同一規(guī)格、同一型號的電池，其電壓、內(nèi)阻、容量等方面的參數(shù)存在差別。電池的不一致性產(chǎn)生主要包括兩個方面的原因：

（1） 電池本身由制造工藝和材料不均勻性帶來的不一致性，即使同一廠家同一批次生產(chǎn)的同一型號的電池也無法避免。并且，在生產(chǎn)組裝時，由于電解液密度、溫度、通風條件等不同也會增加電池的不一致性；

（2） 在電池使用過程中，隨著循環(huán)使用次數(shù)的增加，由于充放電方法的不當，造成過充、欠充、過放電等，會加劇電池間的不一致性。

單體電池的不一致性，直接影響著整組電池的使用性能和使用壽命[3]。為了確保DC?BANK系統(tǒng)對變頻器的供電可靠性，必須改善蓄電池組的不一致性。電池的不一致性可以從以下三個方面加以改善：從電池的制造材料、工藝方面考慮，提高蓄電池的生產(chǎn)技術(shù)；在生產(chǎn)組裝過程中，盡可能選取同一批次生產(chǎn)的內(nèi)阻、容量等參數(shù)最接近的電池。另外在使用過程中及時檢查、更換；針對蓄電池的不一致性設計均衡管理方案，防止過充電、過放電等。

1.2 均衡管理方案

目前，針對蓄電池組均衡控制，主要面向蓄電池的兩個參數(shù)：SOC（電池剩余容量）和電壓?；赟OC的均衡控制更符合電池的特性，但是SOC難以檢測，只能估計，所以精確度難以把握。基于電池電壓實現(xiàn)方便，但均衡控制并不能準確地符合電池特性。國內(nèi)外對于蓄電池的均衡控制方案較多，從控制階段上劃分，包括充電均衡、放電均衡和動態(tài)均衡。電池的充電均衡[4]是指串接蓄電池在充電過程中，通過一定的裝置和控制方法實現(xiàn)每個單體電池都能充到最大電量而又不會過充電。電池的放電均衡是指串接蓄電池在放電過程中，通過一定的裝置和控制方法實現(xiàn)每個已充滿電池都能放出最大的電量而又不會過放電。動態(tài)均衡是指通過能量轉(zhuǎn)移的方法實現(xiàn)每個電池間電量的平衡。

均衡方法[5]大體分為兩類：

（1） 主動均衡，指在電池組中每只單體電池旁并聯(lián)電阻、電容、變壓器或其他旁路以實現(xiàn)充電均衡的方法。主動均衡的優(yōu)點是可以實現(xiàn)電池組中各單體電池的容量同步增長，能夠有效保證各單體電池充電終止電壓一致。

（2） 被動均衡，指在充電時間充裕的情況下，用足夠小的充電電流進行浮充電。這種方法結(jié)構(gòu)簡單，實現(xiàn)容易，成本低。但是由于充電時間較長且均衡效果不理想，所以應用場合有限。目前我國電動自行車、內(nèi)燃機車啟動用鉛酸蓄電池等普遍采用這種方法。

從電路結(jié)構(gòu)上來劃分[6]，包括斷流、分流、能耗型、回饋型。斷流是最早提出的，也是最簡單的方法。當單體電壓滿足一定條件時，通過開關(guān)把單體電池的回路斷開，并開啟旁路。這種方法，對開關(guān)要求很高，需要開關(guān)器件很多，局限性較大，實際應用不現(xiàn)實。分流是給每個單體電池并聯(lián)一個旁路補償裝置，通過電阻的特性來補償電池的特性。能耗型是為單體電池提供并聯(lián)的電流支路，實現(xiàn)將電壓過高的單體電池通過分流轉(zhuǎn)移電能的均衡目的。這種方法成本低，但是需要考慮電阻的散熱問題、電池組的能量損耗以及開關(guān)的過流能力?；仞佇途饪刂芠7]有多種多樣的具體方案，比如通過電容、電感或者變壓器進行能量的轉(zhuǎn)移，包括轉(zhuǎn)移至其他電池和回饋電網(wǎng)兩類。

2 DC?BANK系統(tǒng)中蓄電池組均衡方案設計

DC?BANK系統(tǒng)是針對變頻器抗“晃電”的備用電源系統(tǒng)，在電網(wǎng)遇到“晃電”時，直接輸出到變頻器的直流母線上提供直流不間斷電源，保證生產(chǎn)持續(xù)進行。本設計需要12 V 50 AH的鉛酸蓄電池44塊，通過串接使用。DC?BANK系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

2.1 均衡方案硬件電路設計

2.1.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

本設計基于單片控制[8]，通過對電池的電壓、電流和溫度信號的檢測，采用分流技術(shù)進行均衡管理。當均衡控制開啟的時候，電池的充電電路比均衡電路關(guān)閉的時候電流小3.1 A ，從而降低該電池的充電速率，以達到所有電池14.7 V的電壓標準。系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)如圖2所示。

該均衡系統(tǒng)中主控制器和從控制器均采用美國ATMEL公司的ATMEGA32高性能8位單片機。系統(tǒng)采用1個主控制器和7個從控制器：主控制器負責整個蓄電池充電系統(tǒng)的的控制算法，包括：處理電池電流、電壓和溫度信號，控制主回路對蓄電池組進行充電，并提供顯示、報警和按鍵功能；接收從控制器采樣的電池電壓，判斷電池電壓狀態(tài)，從而反饋給從控制器進行均衡控制。每一個從控制器負責采樣6塊電池電壓信號，與主控制器之間進行通信，然后對電池的充電進行均衡控制。多余的2塊電池交由主控制器負責。主控制器與從控制器之間通過RS 485通信方式[9]進行交換數(shù)據(jù)。

由于方案中電池數(shù)目較多，總電壓較高，且控制回路與充電主回路必須隔離，所以采用了霍爾電壓傳感器來檢測電壓。充電主回路的電流通過霍爾電流傳感器進行檢測。另外，考慮蓄電池特有的負溫度特性，常溫下（25 ℃左右）環(huán)境溫度每下降1 ℃或上升1 ℃，每2 V蓄電池的電壓差達4 mV左右。在此針對蓄電池溫度的變化給予相應充電電壓補償稱之為溫度補償，本方案采用了高精度數(shù)字溫度傳感器DS18B20進行溫度檢測。

2.1.2 均衡模塊電路

均衡模塊中，霍爾電壓傳感器檢測電池電壓信號，然后送入從控制器，從控制器通過RS 485通信送入主控制器，主控制器進行處理，發(fā)出控制信號到從控制器，從控制器控制分流回路的通斷。分流均衡模塊電路如圖3所示。

從控制器輸出高電平（TR1），U27光耦輸出光敏三極管導通，Q14導通后電池電壓經(jīng)[C28]濾波后給U42B（LM358）供電，同時U28穩(wěn)壓精準的2.5 V電壓至U42的第5腳作為比較器的基準電壓。分流電流經(jīng)[R150]形成取樣電壓經(jīng)U42A放大16倍后至U42B的第6腳，如果U42第6腳電壓小于第5腳（2.5 V），U42第7腳輸出高電平Q28導通打開分流回路，當分流電流大于3.1 A經(jīng)U42A放大后U42第6腳電壓大于第5腳電壓，U42第7腳輸出低電平，Q28關(guān)閉分流電路。當分流電流小于3.1 A后又重新打開Q28，這樣就使分流電流維持在3.1 A，保持動態(tài)平衡。不需要平衡分流放電時，從控制器輸出低電平（TR1），U27光耦關(guān)斷，Q14截止，運放U42沒有電源而停止工作，Q28關(guān)斷分流回路。Q14截止后同時也減小電池的電量消耗。

2.2 分流均衡軟件設計[10]

44節(jié)電池串接，每7節(jié)電池由一塊從控制器負責采樣信號和均衡控制。最后2節(jié)電池由主控制器負責采樣信號和均衡控制。所有采樣信號通過RS 485通信交由主控制器負責計算處理，判斷電池的充電不均衡性和控制分流。如果某節(jié)電池的電壓高于系統(tǒng)設定的閾值電壓，則開啟分流控制回路，減小充電電流3.1，降低充電速率，以達到所有電池充電均衡的目的。分流均衡流程圖如圖4所示。

3 結(jié) 語

DC?BANK系統(tǒng)作為變頻器抗“晃電”的直流備用電源，蓄電池組的性能成為保證其供電可靠性的關(guān)鍵。本設計基于單片機控制，采取分流均衡控制的方案，能夠動態(tài)地保持充電均衡，提高蓄電池組的使用性能和壽命。但是影響蓄電池使用性能和壽命的因素有很多，本方案僅僅針對充電均衡進行了控制，且均衡控制方案多種多樣，均衡效果也不盡相同。

注：本文通訊作者為趙兀君。

參考文獻

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