DC?BANK系统中蓄电池组的均衡管理

鲁芳　赵兀君

摘 要： 针对变频器使用过程中遇到的电网“晃电”现象，为了提高变频器抗“晃电”能力，提高DC?BANK系统的供电可靠性，确保蓄电池组充电安全和蓄电池使用寿命，设计了基于单片机控制的蓄电池组均衡管理方案。该方案中单片机采样蓄电池的电流、电压和温度信号，经过处理，判断蓄电池不一致性，采取分流均衡的方法，实现均衡管理。构建了蓄电池组的均衡管理系统框架，设计了分流均衡硬件电路，并给出了基于单片机汇编语言的流程图。

关键词： DC?BANK； 蓄电池； 分流； 均衡管理

中图分类号： TN773?34； TM912.4 文献标识码： A 文章编号： 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

随着变频器在越来越多的工业领域的应用[1]，企业所遇到的“晃电”问题也越来越突出，特别是一些对供电可靠性要求较高的敏感负载的场合，“晃电”问题亟待解决。

“晃电”是业内对电压暂降的一种形象比喻。电压暂降引发的原因有很多，比如大电网或者配网侧的雷击、大风、接地、短路等引起的保护动作，会产生用户侧的一个短时压降；另外，用户侧的大负载启动或者电气故障也会引起同条线路上的暂时压降。一般来说，电压暂降持续时间为20～600 ms。目前，我国的配电系统平均可靠性为4个9，即全年平均停电时间为1 h，而各工业生产中的一些0类和1类负载要求的供电可靠性为9个9，即平均停电时间小于30 ms。针对“晃电”问题，目前业内多采用DC?BANK系统[2]来提供不间断直流电源，在小于200 μs的时间内切换电源对变频器直流母线供电，使得变频器拥有交、直两路冗余供电，从而提高供电可靠性，提高变频器抗“晃电”能力。

DC?BANK系统通常包含充电器、电池组、监控单元、执行单元等，其中一个核心单元是蓄电池组的充电及均衡管理。为了确保系统的供电可靠性，就必须保证蓄电池的性能及使用寿命。DC?BANK系统中一般由几十块蓄电池串接而成，作为备用电源。串接蓄电池组的使用过程中，无法避免电池充电不均衡问题所带来的危害，因而对电池组的均衡管理提出了更高的要求。

1 蓄电池均衡管理概述

由于单体电池容量有限，难以达到DC?BANK系统所需，所以往往将几十节单体电池串接使用。蓄电池单体电池的循环使用寿命通常可以达到几百次甚至几千次，但是串接蓄电池组的循环寿命却远远低于这个水平。同时，蓄电池串接也会影响到使用时的充电效率、放电能力等。大量实验数据表明，这是因为单体电池间的不一致性的原因造成的。

1.1 单体电池不一致性

单体电池不一致性是指同一规格、同一型号的电池，其电压、内阻、容量等方面的参数存在差别。电池的不一致性产生主要包括两个方面的原因：

（1） 电池本身由制造工艺和材料不均匀性带来的不一致性，即使同一厂家同一批次生产的同一型号的电池也无法避免。并且，在生产组装时，由于电解液密度、温度、通风条件等不同也会增加电池的不一致性；

（2） 在电池使用过程中，随着循环使用次数的增加，由于充放电方法的不当，造成过充、欠充、过放电等，会加剧电池间的不一致性。

单体电池的不一致性，直接影响着整组电池的使用性能和使用寿命[3]。为了确保DC?BANK系统对变频器的供电可靠性，必须改善蓄电池组的不一致性。电池的不一致性可以从以下三个方面加以改善：从电池的制造材料、工艺方面考虑，提高蓄电池的生产技术；在生产组装过程中，尽可能选取同一批次生产的内阻、容量等参数最接近的电池。另外在使用过程中及时检查、更换；针对蓄电池的不一致性设计均衡管理方案，防止过充电、过放电等。

1.2 均衡管理方案

目前，针对蓄电池组均衡控制，主要面向蓄电池的两个参数：SOC（电池剩余容量）和电压。基于SOC的均衡控制更符合电池的特性，但是SOC难以检测，只能估计，所以精确度难以把握。基于电池电压实现方便，但均衡控制并不能准确地符合电池特性。国内外对于蓄电池的均衡控制方案较多，从控制阶段上划分，包括充电均衡、放电均衡和动态均衡。电池的充电均衡[4]是指串接蓄电池在充电过程中，通过一定的装置和控制方法实现每个单体电池都能充到最大电量而又不会过充电。电池的放电均衡是指串接蓄电池在放电过程中，通过一定的装置和控制方法实现每个已充满电池都能放出最大的电量而又不会过放电。动态均衡是指通过能量转移的方法实现每个电池间电量的平衡。

均衡方法[5]大体分为两类：

（1） 主动均衡，指在电池组中每只单体电池旁并联电阻、电容、变压器或其他旁路以实现充电均衡的方法。主动均衡的优点是可以实现电池组中各单体电池的容量同步增长，能够有效保证各单体电池充电终止电压一致。

（2） 被动均衡，指在充电时间充裕的情况下，用足够小的充电电流进行浮充电。这种方法结构简单，实现容易，成本低。但是由于充电时间较长且均衡效果不理想，所以应用场合有限。目前我国电动自行车、内燃机车启动用铅酸蓄电池等普遍采用这种方法。

从电路结构上来划分[6]，包括断流、分流、能耗型、回馈型。断流是最早提出的，也是最简单的方法。当单体电压满足一定条件时，通过开关把单体电池的回路断开，并开启旁路。这种方法，对开关要求很高，需要开关器件很多，局限性较大，实际应用不现实。分流是给每个单体电池并联一个旁路补偿装置，通过电阻的特性来补偿电池的特性。能耗型是为单体电池提供并联的电流支路，实现将电压过高的单体电池通过分流转移电能的均衡目的。这种方法成本低，但是需要考虑电阻的散热问题、电池组的能量损耗以及开关的过流能力。回馈型均衡控制[7]有多种多样的具体方案，比如通过电容、电感或者变压器进行能量的转移，包括转移至其他电池和回馈电网两类。

2 DC?BANK系统中蓄电池组均衡方案设计

DC?BANK系统是针对变频器抗“晃电”的备用电源系统，在电网遇到“晃电”时，直接输出到变频器的直流母线上提供直流不间断电源，保证生产持续进行。本设计需要12 V 50 AH的铅酸蓄电池44块，通过串接使用。DC?BANK系统结构如图1所示。

2.1 均衡方案硬件电路设计

2.1.1 系统结构

本设计基于单片控制[8]，通过对电池的电压、电流和温度信号的检测，采用分流技术进行均衡管理。当均衡控制开启的时候，电池的充电电路比均衡电路关闭的时候电流小3.1 A ，从而降低该电池的充电速率，以达到所有电池14.7 V的电压标准。系统硬件结构如图2所示。

该均衡系统中主控制器和从控制器均采用美国ATMEL公司的ATMEGA32高性能8位单片机。系统采用1个主控制器和7个从控制器：主控制器负责整个蓄电池充电系统的的控制算法，包括：处理电池电流、电压和温度信号，控制主回路对蓄电池组进行充电，并提供显示、报警和按键功能；接收从控制器采样的电池电压，判断电池电压状态，从而反馈给从控制器进行均衡控制。每一个从控制器负责采样6块电池电压信号，与主控制器之间进行通信，然后对电池的充电进行均衡控制。多余的2块电池交由主控制器负责。主控制器与从控制器之间通过RS 485通信方式[9]进行交换数据。

由于方案中电池数目较多，总电压较高，且控制回路与充电主回路必须隔离，所以采用了霍尔电压传感器来检测电压。充电主回路的电流通过霍尔电流传感器进行检测。另外，考虑蓄电池特有的负温度特性，常温下（25 ℃左右）环境温度每下降1 ℃或上升1 ℃，每2 V蓄电池的电压差达4 mV左右。在此针对蓄电池温度的变化给予相应充电电压补偿称之为温度补偿，本方案采用了高精度数字温度传感器DS18B20进行温度检测。

2.1.2 均衡模块电路

均衡模块中，霍尔电压传感器检测电池电压信号，然后送入从控制器，从控制器通过RS 485通信送入主控制器，主控制器进行处理，发出控制信号到从控制器，从控制器控制分流回路的通断。分流均衡模块电路如图3所示。

从控制器输出高电平（TR1），U27光耦输出光敏三极管导通，Q14导通后电池电压经[C28]滤波后给U42B（LM358）供电，同时U28稳压精准的2.5 V电压至U42的第5脚作为比较器的基准电压。分流电流经[R150]形成取样电压经U42A放大16倍后至U42B的第6脚，如果U42第6脚电压小于第5脚（2.5 V），U42第7脚输出高电平Q28导通打开分流回路，当分流电流大于3.1 A经U42A放大后U42第6脚电压大于第5脚电压，U42第7脚输出低电平，Q28关闭分流电路。当分流电流小于3.1 A后又重新打开Q28，这样就使分流电流维持在3.1 A，保持动态平衡。不需要平衡分流放电时，从控制器输出低电平（TR1），U27光耦关断，Q14截止，运放U42没有电源而停止工作，Q28关断分流回路。Q14截止后同时也减小电池的电量消耗。

2.2 分流均衡软件设计[10]

44节电池串接，每7节电池由一块从控制器负责采样信号和均衡控制。最后2节电池由主控制器负责采样信号和均衡控制。所有采样信号通过RS 485通信交由主控制器负责计算处理，判断电池的充电不均衡性和控制分流。如果某节电池的电压高于系统设定的阈值电压，则开启分流控制回路，减小充电电流3.1，降低充电速率，以达到所有电池充电均衡的目的。分流均衡流程图如图4所示。

3 结 语

DC?BANK系统作为变频器抗“晃电”的直流备用电源，蓄电池组的性能成为保证其供电可靠性的关键。本设计基于单片机控制，采取分流均衡控制的方案，能够动态地保持充电均衡，提高蓄电池组的使用性能和寿命。但是影响蓄电池使用性能和寿命的因素有很多，本方案仅仅针对充电均衡进行了控制，且均衡控制方案多种多样，均衡效果也不尽相同。

注：本文通讯作者为赵兀君。

参考文献

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