基于48個(gè)單體的鈉硫電池模塊為應用研究

當前，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)展都對大規模儲能技術(shù)提出了較高的要求，在眾多的儲能技術(shù)中，鈉硫電池以其優(yōu)越的性能[1],備受各國研發(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，單體電壓的檢測是不可或缺的一部分，其對整個(gè)電池模塊的安全和穩定運行有著(zhù)十分重要的影響。根據所檢測的單體電壓，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梯度：報警和閉鎖(或者稱(chēng)為切斷)，一般包括：?jiǎn)误w過(guò)壓報警、單體過(guò)壓閉鎖、單體欠壓報警、單體欠壓閉鎖、單體電壓負變化率報警、單體電壓負變化率閉鎖，有些還會(huì )增加單體電壓不均衡報警和閉鎖。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],正因為單體的數目較多，所以尋求一種切實(shí)可行的檢測方案具有重要意義。

單體電壓的檢測方法有很多，常用的測量方法有共模測量法和開(kāi)關(guān)切換法[4?6].共模測量法即相對同一參考點(diǎn)，用精密電阻等比例衰減各測量點(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，從而使測量精度降低。參考文獻[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)，從而增加了系統的成本、體積和功耗，本文在此基礎上，運用一種改進(jìn)的方案來(lái)實(shí)現對單體電壓的檢測，該方案可以有效減少開(kāi)關(guān)的數目以及整個(gè)檢測系統的體積。

1 單體電壓巡檢系統設計

本文的研究對象是包含48 個(gè)單體的鈉硫電池模塊，測量時(shí)將48 個(gè)單體分成4 組：第一組為編號01~12的單體，第二組為編號13~24的單體，第三組為編號25~36的單體，第四組為編號37~48的單體。對這4組進(jìn)行并行測量，即第一輪測量編號為01、13、25、37 的單體，第二輪測量編號為02、14、26、38 的單體，依此類(lèi)推，第十二輪測量編號為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完畢。

以第一組測量為例，測量原理圖如圖1 所示，其中IN+、IN-經(jīng)過(guò)信號調理電路接到A/D芯片。當測量編號為1的單體cell1時(shí)，開(kāi)關(guān)S1、S2、O1、O2閉合，cell1的正端接到IN+、負端接到IN-.當測量編號為2的單體cell2時(shí)，開(kāi)關(guān)S2、S3、E1、E2 閉合，cell2 的正端接到IN+、負端接到IN-,被測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，測量奇數編號的單體時(shí)，開(kāi)關(guān)O1、O2閉合，測量偶數編號的單體時(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，將奇數編號的單體與偶數編號的單體分開(kāi)測量，即先測量奇數編號的單體，然后再檢測偶數編號的單體[7].

在器件選型方面，遵循滿(mǎn)足系統需求并且有一定升級余量的原則，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，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，其余開(kāi)關(guān)的實(shí)現原理完全一樣，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IO 口，當FPGA 的IO口輸出低電平時(shí)，相應的開(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量原理，其余三組的實(shí)現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，這樣才能保證每一輪測量都能檢測到這四組中對應編號的單體。將四組的輸出信號經(jīng)過(guò)信號調理電路，分別送入A/D 芯片，本設計采用的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)鐘頻率可以達到MHz 級，因此從ADS8325 讀出數據耗時(shí)基本可以忽略不計，每一輪采樣時(shí)間將非常短。

不難發(fā)現，對于包含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 單體電壓巡檢系統的軟件仿真及測試

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

在Quartus Ⅱ 9.1中，采用Verilog HDL語(yǔ)言對輔助控制器進(jìn)行編程，程序設計時(shí)，應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)、格雷碼和獨熱碼，對于小型數字系統設計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。

對編寫(xiě)好的程序進(jìn)行編譯和仿真，仿真結果如圖3所示，觀(guān)察a、b、c的波形，可以發(fā)現每次變化時(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oe為低電平時(shí)，奇數編號單體兩端的開(kāi)關(guān)控制信號為低電平，從而對實(shí)現對奇數編號的單體進(jìn)行檢測，當oe為高電平時(shí)，偶數編號單體兩端的開(kāi)關(guān)控制信號為低電平，從而完成對偶數編號的單體進(jìn)行檢測。仿真的波形結果與之前的分析完全吻合。

為了驗證本設計的可行性，對編號為01~48的單體進(jìn)行巡檢，并將測試結果上傳給監控平臺，監控平臺的顯示結果如圖4所示，經(jīng)常長(cháng)時(shí)間測試，發(fā)現所設計的系統能夠準確地檢測編號為01~48的單體電壓值，不會(huì )產(chǎn)生任何錯誤的邏輯。

3 結語(yǔ)

本文運用一種改進(jìn)的開(kāi)關(guān)切換法來(lái)實(shí)現對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)的數目，從而減小了系統的成本、體積，軟件設計時(shí)分別對奇數編號的單體和偶數編號的單體進(jìn)行測量，從而減小開(kāi)關(guān)的動(dòng)作次數，降低由此引起的開(kāi)關(guān)損耗，仿真和測試結果均表明該方案切實(shí)、可行。