基于48個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、可再生能源的開發(fā)以及智能電網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展都對大規(guī)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，其對整個電池模塊的安全和穩(wěn)定運行有著十分重要的影響。根據(jù)所檢測的單體電壓，進行均衡管理[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(或者稱為切斷)，一般包括：單體過壓報警、單體過壓閉鎖、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(shù)目較多，所以尋求一種切實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關(guān)切換法[4?6].共模測量法即相對同一參考點，用精密電阻等比例衰減各測量點的電壓，然后依次相減得到各單體的電壓，該方法電路比較簡單，缺點是存在累積誤差，從而使測量精度降低。參考文獻[4]中采用了開關(guān)切換法，但該方案中每個單體都配有兩個開關(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，運用一種改進的方案來實現(xiàn)對單體電壓的檢測，該方案可以有效減少開關(guān)的數(shù)目以及整個檢測系統(tǒng)的體積。

1 單體電壓巡檢系統(tǒng)設(shè)計

本文的研究對象是包含48 個單體的鈉硫電池模塊，測量時將48 個單體分成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，依此類推，第十二輪測量編號為12、24、36、48的單體，至此整個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)過信號調(diào)理電路接到A/D芯片。當測量編號為1的單體cell1時，開關(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，開關(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關(guān)之間的關(guān)系如表1所示，不難發(fā)現(xiàn)，測量奇數(shù)編號的單體時，開關(guān)O1、O2閉合，測量偶數(shù)編號的單體時，開關(guān)E1、E2閉合，因此，為了減少開關(guān)O1、O2、E1、E2的動作次數(shù)和因開關(guān)頻繁動作引起的損耗、提高電壓巡檢的效率，將奇數(shù)編號的單體與偶數(shù)編號的單體分開測量，即先測量奇數(shù)編號的單體，然后再檢測偶數(shù)編號的單體[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)場可編程門陣列(FPGA)EP2C8Q208C8N 用來作為BMU 的輔助控制器，這樣一來，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用，使電路的體積小、功耗也小[8].

圖1 中的開關(guān)采用松下PhotoMOS 型光耦繼電器AQW214EH.利用TMS320F28335 的五個GPIO 口來控制EP2C8Q208C8N輸出17路控制信號，分別控制圖1中的17個開關(guān)。

一個AQW214EH 可以作為2 個開關(guān)，圖2 為開關(guān)S1、S2的具體實現(xiàn)，其余開關(guān)的實現(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IO 口，當FPGA 的IO口輸出低電平時，相應的開關(guān)閉合，反之，則開關(guān)斷開。

以上部分以第一組為例講述了其測量原理，其余三組的實現(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，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)過信號調(diào)理電路，分別送入A/D 芯片，本設(shè)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)過光耦隔離后與TMS320F28335的SPI接口相連，由于SPI時鐘頻率可以達到MHz 級，因此從ADS8325 讀出數(shù)據(jù)耗時基本可以忽略不計，每一輪采樣時間將非常短。

不難發(fā)現(xiàn)，對于包含48 個單體的鈉硫電池模塊而言，如果采用為每個單體分配2個開關(guān)的方案，就需要96 個開關(guān)，即需要48 片AQW214EH,本文的方案對于每一組需要17 個開關(guān)，四組一共68 個開關(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)的軟件仿真及測試

輔助控制器EP2C8Q208C8N 根據(jù)主控制器的控制信號來輸出17路信號來控制17個開關(guān)，其輸入信號為en、oe、a、b、c,分別對應主控制器的5個控制信號，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，對奇數(shù)編號的單體進行測量，當oe為1時，對偶數(shù)編號的單體進行測量，無論對于奇數(shù)編號還是偶數(shù)編號檢測，都有6個電池需要檢測，為此需要6個狀態(tài)，這6個狀態(tài)就是通過信號a、b、c 來控制的，輸出信號為S1、S2、…、S13、O1、O2、E1、E2,這17 個控制信號分別與圖1 中的17個開關(guān)對應，當輸出為低電平時，開關(guān)閉合，當輸出為高電平時，開關(guān)斷開。

在Quartus Ⅱ 9.1中，采用Verilog HDL語言對輔助控制器進行編程，程序設(shè)計時，應選擇合理的編碼方式，常用的編碼方式有：順序編碼(也稱為二進制編碼)、格雷碼和獨熱碼，對于小型數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計使用順序編碼和格雷碼更有效[9].就順序編碼而言，有時會有多個位同時發(fā)生變化，比如從011變到100時，二進制的每一位都發(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狀態(tài)轉(zhuǎn)換到下一個狀態(tài)時電路中的邏輯混淆[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，本文采用格雷碼進行編程。

對編寫好的程序進行編譯和仿真，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，三位中只有一位發(fā)生改變，這就是前面所說的格雷碼，當oe為低電平時，奇數(shù)編號單體兩端的開關(guān)控制信號為低電平，從而對實現(xiàn)對奇數(shù)編號的單體進行檢測，當oe為高電平時，偶數(shù)編號單體兩端的開關(guān)控制信號為低電平，從而完成對偶數(shù)編號的單體進行檢測。仿真的波形結(jié)果與之前的分析完全吻合。

為了驗證本設(shè)計的可行性，對編號為01~48的單體進行巡檢，并將測試結(jié)果上傳給監(jiān)控平臺，監(jiān)控平臺的顯示結(jié)果如圖4所示，經(jīng)常長時間測試，發(fā)現(xiàn)所設(shè)計的系統(tǒng)能夠準確地檢測編號為01~48的單體電壓值，不會產(chǎn)生任何錯誤的邏輯。

3 結(jié)語

本文運用一種改進的開關(guān)切換法來實現(xiàn)對鈉硫電池模塊單體電壓的巡檢，較為每個單體分配2個開關(guān)的方案，能大大減小開關(guān)的數(shù)目，從而減小了系統(tǒng)的成本、體積，軟件設(shè)計時分別對奇數(shù)編號的單體和偶數(shù)編號的單體進行測量，從而減小開關(guān)的動作次數(shù)，降低由此引起的開關(guān)損耗，仿真和測試結(jié)果均表明該方案切實、可行。