基于48个单体的钠硫电池模块为应用研究

caroline11

导读：本文介绍有两种常用的单体电压检测方法的不足，设计了一种改进的方案，运用光耦继电器依次对奇数编号和偶数编号的单体电压进行检测，从而实现对整个电池模块的巡检。仿真和测试结果表明该方案切实、可行，具有良好的应用价值。

0 引言
当前，电力峰谷差的平抑、电网的安全可靠性和电能质量、可再生能源的开发以及智能电网技术的发展都对大规模储能技术提出了较高的要求，在众多的储能技术中，钠硫电池以其优越的性能[1],备受各国研发人员的关注。钠硫电池的研发主要包括电池制造技术和电池管理技术的研发，这两大技术也正是钠硫电池实际应用中的技术瓶颈。

在钠硫电池的管理技术中，单体电压的检测是不可或缺的一部分，其对整个电池模块的安全和稳定运行有着十分重要的影响。根据所检测的单体电压，进行均衡管理[2]和告警分析，其中单体电压告警通常采用两级梯度：报警和闭锁（或者称为切断），一般包括：单体过压报警、单体过压闭锁、单体欠压报警、单体欠压闭锁、单体电压负变化率报警、单体电压负变化率闭锁，有些还会增加单体电压不均衡报警和闭锁。钠硫电池模块通常包含很多个单体电池，比如5 kW 的电池模块包含单体电池48只[3],正因为单体的数目较多，所以寻求一种切实可行的检测方案具有重要意义。

单体电压的检测方法有很多，常用的测量方法有共模测量法和开关切换法[4?6].共模测量法即相对同一参考点，用精密电阻等比例衰减各测量点的电压，然后依次相减得到各单体的电压，该方法电路比较简单，缺点是存在累积误差，从而使测量精度降低。参考文献[4]中采用了开关切换法，但该方案中每个单体都配有两个开关，从而增加了系统的成本、体积和功耗，本文在此基础上，运用一种改进的方案来实现对单体电压的检测，该方案可以有效减少开关的数目以及整个检测系统的体积。

1 单体电压巡检系统设计
本文的研究对象是包含48 个单体的钠硫电池模块，测量时将48 个单体分成4 组：组为编号01~12的单体，第二组为编号13~24的单体，第三组为编号25~36的单体，第四组为编号37~48的单体。对这4组进行并行测量，即轮测量编号为01、13、25、37 的单体，第二轮测量编号为02、14、26、38 的单体，依此类推，第十二轮测量编号为12、24、36、48的单体，至此整个电池模块的所有单体电压检测完毕。

以组测量为例，测量原理图如图1 所示，其中IN+、IN-经过信号调理电路接到A/D芯片。当测量编号为1的单体cell1时，开关S1、S2、O1、O2闭合，cell1的正端接到IN+、负端接到IN-.当测量编号为2的单体cell2时，开关S2、S3、E1、E2 闭合，cell2 的正端接到IN+、负端接到IN-,被测量单体与需要闭合的开关之间的关系如表1所示，不难发现，测量奇数编号的单体时，开关O1、O2闭合，测量偶数编号的单体时，开关E1、E2闭合，因此，为了减少开关O1、O2、E1、E2的动作次数和因开关频繁动作引起的损耗、提高电压巡检的效率，将奇数编号的单体与偶数编号的单体分开测量，即先测量奇数编号的单体，然后再检测偶数编号的单体[7].

在器件选型方面，遵循满足系统需求并且有一定升级余量的原则，采用TMS320F28335作为电池模块管理单元（BMU）的主控制器，现场可编程门阵列（FPGA）EP2C8Q208C8N 用来作为BMU 的辅助控制器，这样一来，既可以利用TMS320F28335的现成接口，比如SPI接口、CAN 接口等，又避免了大量分立逻辑器件的运用，使电路的体积小、功耗也小[8].

图1 中的开关采用松下PhotoMOS 型光耦继电器AQW214EH.利用TMS320F28335 的五个GPIO 口来控制EP2C8Q208C8N输出17路控制信号，分别控制图1中的17个开关。

一个AQW214EH 可以作为2 个开关，图2 为开关S1、S2的具体实现，其余开关的实现原理完全一样，图2中，cell1+表示接到图1中cell1的正极，cell2+表示接到图1中cell2 的正极，S1、S2 分别接到FPGA 的相应IO 口，当FPGA 的IO口输出低电平时，相应的开关闭合，反之，则开关断开。

以上部分以组为例讲述了其测量原理，其余三组的实现原理和组完全一样，这四组公用EP2C8Q208C8N 输出的17 路控制信号，这样才能保证每一轮测量都能检测到这四组中对应编号的单体。将四组的输出信号经过信号调理电路，分别送入A/D 芯片，本设计采用的A/D芯片为16位精度、采样速率为100 KSPS的ADS8325,其串行SPI输出经过光耦隔离后与TMS320F28335的SPI接口相连，由于SPI时钟频率可以达到MHz 级，因此从ADS8325 读出数据耗时基本可以忽略不计，每一轮采样时间将非常短。

不难发现，对于包含48 个单体的钠硫电池模块而言，如果采用为每个单体分配2个开关的方案，就需要96 个开关，即需要48 片AQW214EH,本文的方案对于每一组需要17 个开关，四组一共68 个开关，即34 片AQW214EH,这必将大大减小电路的体积和成本。

2 单体电压巡检系统的软件仿真及测试
辅助控制器EP2C8Q208C8N 根据主控制器的控制信号来输出17路信号来控制17个开关，其输入信号为en、oe、a、b、c,分别对应主控制器的5个控制信号，其中en为使能信号，高电平有效，oe为奇、偶控制端，当oe为0时，对奇数编号的单体进行测量，当oe为1时，对偶数编号的单体进行测量，无论对于奇数编号还是偶数编号检测，都有6个电池需要检测，为此需要6个状态，这6个状态就是通过信号a、b、c 来控制的，输出信号为S1、S2、…、S13、O1、O2、E1、E2,这17 个控制信号分别与图1 中的17个开关对应，当输出为低电平时，开关闭合，当输出为高电平时，开关断开。

在Quartus Ⅱ 9.1中，采用Verilog HDL语言对辅助控制器进行编程，程序设计时，应选择合理的编码方式，常用的编码方式有：顺序编码（也称为二进制编码）、格雷码和独热码，对于小型数字系统设计使用顺序编码和格雷码更有效[9].就顺序编码而言，有时会有多个位同时发生变化，比如从011变到100时，二进制的每一位都发生变化，然而在电路中要保证多位完全同步是不太可能的，一旦不同步，便会产生错误的逻辑，而相邻的格雷码之间仅有一位不同，这大大减少了由一个状态转换到下一个状态时电路中的逻辑混淆[10],提高了电路的抗干扰能力，也减少了电路中的电噪声，从而比顺序编码更加可靠，因此，本文采用格雷码进行编程。

对编写好的程序进行编译和仿真，仿真结果如图3所示，观察a、b、c的波形，可以发现每次变化时，三位中只有一位发生改变，这就是前面所说的格雷码，当oe为低电平时，奇数编号单体两端的开关控制信号为低电平，从而对实现对奇数编号的单体进行检测，当oe为高电平时，偶数编号单体两端的开关控制信号为低电平，从而完成对偶数编号的单体进行检测。仿真的波形结果与之前的分析完全吻合。

为了验证本设计的可行性，对编号为01~48的单体进行巡检，并将测试结果上传给监控平台，监控平台的显示结果如图4所示，经常长时间测试，发现所设计的系统能够准确地检测编号为01~48的单体电压值，不会产生任何错误的逻辑。

3 结语
本文运用一种改进的开关切换法来实现对钠硫电池模块单体电压的巡检，较为每个单体分配2个开关的方案，能大大减小开关的数目，从而减小了系统的成本、体积，软件设计时分别对奇数编号的单体和偶数编号的单体进行测量，从而减小开关的动作次数，降低由此引起的开关损耗，仿真和测试结果均表明该方案切实、可行。