基于48個(gè)單體的鈉硫電池模塊為應(yīng)用研究

　　導(dǎo)讀：本文介紹有兩種常用的單體電壓檢測(cè)方法的不足，設(shè)計(jì)了一種改進(jìn)的方案，運(yùn)用光耦繼電器依次對(duì)奇數(shù)編號(hào)和偶數(shù)編號(hào)的單體電壓進(jìn)行檢測(cè)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)電池模塊的巡檢。仿真和測(cè)試結(jié)果表明該方案切實(shí)、可行，具有良好的應(yīng)用價(jià)值。

　　0 引言

　　當(dāng)前，電力峰谷差的平抑、電網(wǎng)的安全可靠性和電能質(zhì)量、可再生能源的開(kāi)發(fā)以及智能電網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展都對(duì)大規(guī)模儲(chǔ)能技術(shù)提出了較高的要求，在眾多的儲(chǔ)能技術(shù)中，鈉硫電池以其優(yōu)越的性能[1],備受各國(guó)研發(fā)人員的關(guān)注。鈉硫電池的研發(fā)主要包括電池制造技術(shù)和電池管理技術(shù)的研發(fā)，這兩大技術(shù)也正是鈉硫電池實(shí)際應(yīng)用中的最大技術(shù)瓶頸。

　　在鈉硫電池的管理技術(shù)中，單體電壓的檢測(cè)是不可或缺的一部分，其對(duì)整個(gè)電池模塊的安全和穩(wěn)定運(yùn)行有著十分重要的影響。根據(jù)所檢測(cè)的單體電壓，進(jìn)行均衡管理[2]和告警分析，其中單體電壓告警通常采用兩級(jí)梯度：報(bào)警和閉鎖（或者稱(chēng)為切斷），一般包括：?jiǎn)误w過(guò)壓報(bào)警、單體過(guò)壓閉鎖、單體欠壓報(bào)警、單體欠壓閉鎖、單體電壓負(fù)變化率報(bào)警、單體電壓負(fù)變化率閉鎖，有些還會(huì)增加單體電壓不均衡報(bào)警和閉鎖。鈉硫電池模塊通常包含很多個(gè)單體電池，比如5 kW 的電池模塊包含單體電池48只[3],正因?yàn)閱误w的數(shù)目較多，所以尋求一種切實(shí)可行的檢測(cè)方案具有重要意義。

　　單體電壓的檢測(cè)方法有很多，常用的測(cè)量方法有共模測(cè)量法和開(kāi)關(guān)切換法[4?6].共模測(cè)量法即相對(duì)同一參考點(diǎn)，用精密電阻等比例衰減各測(cè)量點(diǎn)的電壓，然后依次相減得到各單體的電壓，該方法電路比較簡(jiǎn)單，缺點(diǎn)是存在累積誤差，從而使測(cè)量精度降低。參考文獻(xiàn)[4]中采用了開(kāi)關(guān)切換法，但該方案中每個(gè)單體都配有兩個(gè)開(kāi)關(guān)，從而增加了系統(tǒng)的成本、體積和功耗，本文在此基礎(chǔ)上，運(yùn)用一種改進(jìn)的方案來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)單體電壓的檢測(cè)，該方案可以有效減少開(kāi)關(guān)的數(shù)目以及整個(gè)檢測(cè)系統(tǒng)的體積。

　　1 單體電壓巡檢系統(tǒng)設(shè)計(jì)

　　本文的研究對(duì)象是包含48 個(gè)單體的鈉硫電池模塊，測(cè)量時(shí)將48 個(gè)單體分成4 組：第一組為編號(hào)01~12的單體，第二組為編號(hào)13~24的單體，第三組為編號(hào)25~36的單體，第四組為編號(hào)37~48的單體。對(duì)這4組進(jìn)行并行測(cè)量，即第一輪測(cè)量編號(hào)為01、13、25、37 的單體，第二輪測(cè)量編號(hào)為02、14、26、38 的單體，依此類(lèi)推，第十二輪測(cè)量編號(hào)為12、24、36、48的單體，至此整個(gè)電池模塊的所有單體電壓檢測(cè)完畢。

　　以第一組測(cè)量為例，測(cè)量原理圖如圖1 所示，其中IN+、IN-經(jīng)過(guò)信號(hào)調(diào)理電路接到A/D芯片。當(dāng)測(cè)量編號(hào)為1的單體cell1時(shí)，開(kāi)關(guān)S1、S2、O1、O2閉合，cell1的正端接到IN+、負(fù)端接到IN-.當(dāng)測(cè)量編號(hào)為2的單體cell2時(shí)，開(kāi)關(guān)S2、S3、E1、E2 閉合，cell2 的正端接到IN+、負(fù)端接到IN-,被測(cè)量單體與需要閉合的開(kāi)關(guān)之間的關(guān)系如表1所示，不難發(fā)現(xiàn)，測(cè)量奇數(shù)編號(hào)的單體時(shí)，開(kāi)關(guān)O1、O2閉合，測(cè)量偶數(shù)編號(hào)的單體時(shí)，開(kāi)關(guān)E1、E2閉合，因此，為了減少開(kāi)關(guān)O1、O2、E1、E2的動(dòng)作次數(shù)和因開(kāi)關(guān)頻繁動(dòng)作引起的損耗、提高電壓巡檢的效率，將奇數(shù)編號(hào)的單體與偶數(shù)編號(hào)的單體分開(kāi)測(cè)量，即先測(cè)量奇數(shù)編號(hào)的單體，然后再檢測(cè)偶數(shù)編號(hào)的單體[7].

　　在器件選型方面，遵循滿足系統(tǒng)需求并且有一定升級(jí)余量的原則，采用TMS320F28335作為電池模塊管理單元（BMU）的主控制器，現(xiàn)場(chǎng)可編程門(mén)陣列（FPGA）EP2C8Q208C8N 用來(lái)作為BMU 的輔助控制器，這樣一來(lái)，既可以利用TMS320F28335的現(xiàn)成接口，比如SPI接口、CAN 接口等，又避免了大量分立邏輯器件的運(yùn)用，使電路的體積小、功耗也小[8].

　　圖1 中的開(kāi)關(guān)采用松下PhotoMOS 型光耦繼電器AQW214EH.利用TMS320F28335 的五個(gè)GPIO 口來(lái)控制EP2C8Q208C8N輸出17路控制信號(hào)，分別控制圖1中的17個(gè)開(kāi)關(guān)。

　　一個(gè)AQW214EH 可以作為2 個(gè)開(kāi)關(guān)，圖2 為開(kāi)關(guān)S1、S2的具體實(shí)現(xiàn)，其余開(kāi)關(guān)的實(shí)現(xiàn)原理完全一樣，圖2中，cell1+表示接到圖1中cell1的正極，cell2+表示接到圖1中cell2 的正極，S1、S2 分別接到FPGA 的相應(yīng)IO 口，當(dāng)FPGA 的IO口輸出低電平時(shí)，相應(yīng)的開(kāi)關(guān)閉合，反之，則開(kāi)關(guān)斷開(kāi)。

　　以上部分以第一組為例講述了其測(cè)量原理，其余三組的實(shí)現(xiàn)原理和第一組完全一樣，這四組公用EP2C8Q208C8N 輸出的17 路控制信號(hào)，這樣才能保證每一輪測(cè)量都能檢測(cè)到這四組中對(duì)應(yīng)編號(hào)的單體。將四組的輸出信號(hào)經(jīng)過(guò)信號(hào)調(diào)理電路，分別送入A/D 芯片，本設(shè)計(jì)采用的A/D芯片為16位精度、最大采樣速率為100 KSPS的ADS8325,其串行SPI輸出經(jīng)過(guò)光耦隔離后與TMS320F28335的SPI接口相連，由于SPI時(shí)鐘頻率可以達(dá)到MHz 級(jí)，因此從ADS8325 讀出數(shù)據(jù)耗時(shí)基本可以忽略不計(jì)，每一輪采樣時(shí)間將非常短。

　　不難發(fā)現(xiàn)，對(duì)于包含48 個(gè)單體的鈉硫電池模塊而言，如果采用為每個(gè)單體分配2個(gè)開(kāi)關(guān)的方案，就需要96 個(gè)開(kāi)關(guān)，即需要48 片AQW214EH,本文的方案對(duì)于每一組需要17 個(gè)開(kāi)關(guān)，四組一共68 個(gè)開(kāi)關(guān)，即34 片AQW214EH,這必將大大減小電路的體積和成本。

　　2 單體電壓巡檢系統(tǒng)的軟件仿真及測(cè)試

　　輔助控制器EP2C8Q208C8N 根據(jù)主控制器的控制信號(hào)來(lái)輸出17路信號(hào)來(lái)控制17個(gè)開(kāi)關(guān)，其輸入信號(hào)為en、oe、a、b、c,分別對(duì)應(yīng)主控制器的5個(gè)控制信號(hào)，其中en為使能信號(hào)，高電平有效，oe為奇、偶控制端，當(dāng)oe為0時(shí)，對(duì)奇數(shù)編號(hào)的單體進(jìn)行測(cè)量，當(dāng)oe為1時(shí)，對(duì)偶數(shù)編號(hào)的單體進(jìn)行測(cè)量，無(wú)論對(duì)于奇數(shù)編號(hào)還是偶數(shù)編號(hào)檢測(cè)，都有6個(gè)電池需要檢測(cè)，為此需要6個(gè)狀態(tài)，這6個(gè)狀態(tài)就是通過(guò)信號(hào)a、b、c 來(lái)控制的，輸出信號(hào)為S1、S2、…、S13、O1、O2、E1、E2,這17 個(gè)控制信號(hào)分別與圖1 中的17個(gè)開(kāi)關(guān)對(duì)應(yīng)，當(dāng)輸出為低電平時(shí)，開(kāi)關(guān)閉合，當(dāng)輸出為高電平時(shí)，開(kāi)關(guān)斷開(kāi)。

　　在Quartus Ⅱ 9.1中，采用Verilog HDL語(yǔ)言對(duì)輔助控制器進(jìn)行編程，程序設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)選擇合理的編碼方式，常用的編碼方式有：順序編碼（也稱(chēng)為二進(jìn)制編碼）、格雷碼和獨(dú)熱碼，對(duì)于小型數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計(jì)使用順序編碼和格雷碼更有效[9].就順序編碼而言，有時(shí)會(huì)有多個(gè)位同時(shí)發(fā)生變化，比如從011變到100時(shí)，二進(jìn)制的每一位都發(fā)生變化，然而在電路中要保證多位完全同步是不太可能的，一旦不同步，便會(huì)產(chǎn)生錯(cuò)誤的邏輯，而相鄰的格雷碼之間僅有一位不同，這大大減少了由一個(gè)狀態(tài)轉(zhuǎn)換到下一個(gè)狀態(tài)時(shí)電路中的邏輯混淆[10],提高了電路的抗干擾能力，也減少了電路中的電噪聲，從而比順序編碼更加可靠，因此，本文采用格雷碼進(jìn)行編程。

　　對(duì)編寫(xiě)好的程序進(jìn)行編譯和仿真，仿真結(jié)果如圖3所示，觀察a、b、c的波形，可以發(fā)現(xiàn)每次變化時(shí)，三位中只有一位發(fā)生改變，這就是前面所說(shuō)的格雷碼，當(dāng)oe為低電平時(shí)，奇數(shù)編號(hào)單體兩端的開(kāi)關(guān)控制信號(hào)為低電平，從而對(duì)實(shí)現(xiàn)對(duì)奇數(shù)編號(hào)的單體進(jìn)行檢測(cè)，當(dāng)oe為高電平時(shí)，偶數(shù)編號(hào)單體兩端的開(kāi)關(guān)控制信號(hào)為低電平，從而完成對(duì)偶數(shù)編號(hào)的單體進(jìn)行檢測(cè)。仿真的波形結(jié)果與之前的分析完全吻合。

　　為了驗(yàn)證本設(shè)計(jì)的可行性，對(duì)編號(hào)為01~48的單體進(jìn)行巡檢，并將測(cè)試結(jié)果上傳給監(jiān)控平臺(tái)，監(jiān)控平臺(tái)的顯示結(jié)果如圖4所示，經(jīng)常長(zhǎng)時(shí)間測(cè)試，發(fā)現(xiàn)所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)能夠準(zhǔn)確地檢測(cè)編號(hào)為01~48的單體電壓值，不會(huì)產(chǎn)生任何錯(cuò)誤的邏輯。

　　3 結(jié)語(yǔ)

　　本文運(yùn)用一種改進(jìn)的開(kāi)關(guān)切換法來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)鈉硫電池模塊單體電壓的巡檢，較為每個(gè)單體分配2個(gè)開(kāi)關(guān)的方案，能大大減小開(kāi)關(guān)的數(shù)目，從而減小了系統(tǒng)的成本、體積，軟件設(shè)計(jì)時(shí)分別對(duì)奇數(shù)編號(hào)的單體和偶數(shù)編號(hào)的單體進(jìn)行測(cè)量，從而減小開(kāi)關(guān)的動(dòng)作次數(shù)，降低由此引起的開(kāi)關(guān)損耗，仿真和測(cè)試結(jié)果均表明該方案切實(shí)、可行。