劉 道，龍 辛，龐 偉，汪雅果

（1.湘潭大學(xué) 信息工程學(xué)院，湖南 湘潭 411105；2.湘電風(fēng)能有限公司，湖南 湘潭 411102；3.長沙金博聯(lián)信息技術(shù)有限公司，湖南 長沙 410008）

0 引言

自2010年1月以來，全國在運(yùn)行風(fēng)電場中發(fā)生了數(shù)起由變槳系統(tǒng)備用電源（蓄電池組）引發(fā)的風(fēng)電機(jī)組倒塌事故。事故表現(xiàn)為變槳系統(tǒng)失電后，由于備用電源失效，風(fēng)電機(jī)組未能實(shí)現(xiàn)順槳動作，導(dǎo)致機(jī)組超速而發(fā)生機(jī)組倒塌事故，造成巨大損失。為防止同類事故再次發(fā)生，中國可再生能源學(xué)會風(fēng)能專業(yè)委員會組織相關(guān)專家通過深入分析，提出了采用性能良好的備用電池管理系統(tǒng)來預(yù)防。本設(shè)計利用32位ARM微控制器STM32F103實(shí)現(xiàn)對鉛酸蓄電池的智能管理，包括系統(tǒng)自檢、對電池組進(jìn)行巡檢、快速充放電、溫度監(jiān)測控制、顯示與報警等。設(shè)計的備用電池管理系統(tǒng)功能完善，安全可靠，抗干擾能力強(qiáng)，成本低，具有良好的應(yīng)用價值。

1 智能電池管理系統(tǒng)

本文設(shè)計的智能電池管理系統(tǒng)采用了性價比很高的STM32F103芯片，其主要功能有：①實(shí)現(xiàn)對風(fēng)力發(fā)電機(jī)變槳控制系統(tǒng)蓄電池組的巡檢功能；②實(shí)現(xiàn)循環(huán)充電、浮充自動切換，在循環(huán)充電和浮充的同時對電壓和電流進(jìn)行監(jiān)控，具備充電電壓、充電電流自行調(diào)整的功能；③實(shí)現(xiàn)故障報警功能；④實(shí)現(xiàn)充電電池的過流、過壓、短路保護(hù)功能；⑤實(shí)現(xiàn)智能管理單元的溫度監(jiān)測與控制功能。

本文設(shè)計的智能電池管理系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

2.1 充放電電路設(shè)計

為保證每一節(jié)電池都能正常儲能，本智能電池管理單元需要對12節(jié)電池循環(huán)充電，循環(huán)充電思路如下：系統(tǒng)對電池組自檢后，將對各電池進(jìn)行電壓采樣并排序，通過控制對應(yīng)的繼電器，系統(tǒng)將優(yōu)先對電量最低的電池充電，并由低到高對電池組完成充電，每次充電結(jié)束后將再次對電池組進(jìn)行巡檢，直至整個電池組的電池不需要充電為止。

圖1 智能電池管理系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

采用TI公司的BQ2031SN-A5芯片來實(shí)現(xiàn)對鉛酸電池快速充電。每節(jié)電池單次充電時間上限為15min，充電的同時對電壓和電流進(jìn)行監(jiān)控，并通過LED顯示快充、浮充、充滿的狀態(tài)。當(dāng)電壓低于10.5V時，0.4A恒流充電；當(dāng)電壓大于10.5V時，2A恒流充電（注：電流不會變化的條件下）；當(dāng)檢測到電流減小且大于0.2A時，進(jìn)入到恒壓充電，恒壓充電的電壓大約為14.7V；當(dāng)檢測到電流小于0.2A時，進(jìn)入浮充狀態(tài)，此時為恒壓充電，充電電壓為13.7V。這種充電方法比傳統(tǒng)的恒壓充電法安全，能耗比恒流充電法低［1］。

充電過程如圖2所示，充電控制電路原理如圖3所示。

系統(tǒng)通過接插件（J200）外接大功率黃金鋁殼電阻進(jìn)行放電，該電阻阻值為20Ω，功率為25W，能允許通過1A的放電電流，原理設(shè)計如圖4所示。

2.2 溫度控制設(shè)計

鉛酸蓄電池的電壓具有負(fù)溫度系數(shù)，即溫度每升高1℃，單格電池的電壓將下降4mV。由此可知，環(huán)境溫度為25℃時，充電器的工作很理想；當(dāng)環(huán)境溫度降到0℃時，電池就不能充電；當(dāng)環(huán)境溫度升到50℃，電池將因嚴(yán)重過充電而縮短壽命［2］。因此，電池管理系統(tǒng)必須對蓄電池環(huán)境溫度進(jìn)行控制。

圖2 充電過程示意圖

圖3 充電控制電路原理圖（部分）

圖4 放電控制電路原理圖

模塊溫度控制為智能電池管理單元擴(kuò)充功能，該功能主要由溫度采集及散熱兩部分組成，溫度采集采用AD7416AR芯片，該芯片供電電壓為＋3.3V，10bit ADC轉(zhuǎn)換精度，檢測溫度范圍為－40℃ ～ ＋125℃。當(dāng)模塊溫度過高時，系統(tǒng)將啟動風(fēng)扇對模塊進(jìn)行散熱。風(fēng)機(jī)主控系統(tǒng)具有對智能電池管理單元的機(jī)箱加熱的功能，因此當(dāng)模塊溫度過低時，智能電池管理單元可以通過告警方式將低溫信號輸出給風(fēng)機(jī)主控系統(tǒng)，由主控系統(tǒng)決定是否對機(jī)箱進(jìn)行加熱。此設(shè)計能使電池在理想的環(huán)境中工作，性能發(fā)揮更好，壽命更長。

2.3 自檢設(shè)計

為了更好地保障系統(tǒng)的安全性，本文進(jìn)行了自檢設(shè)計。智能電池管理單元上電時將對STM32芯片、BQ2031SN芯片、CAN口通訊、電池連接接口等進(jìn)行自檢。具體如下：①對BQ2031SN芯片自檢，即檢測該芯片是否能對電池進(jìn)行充電；②對STM32芯片自檢，即檢測它能否對充電芯片進(jìn)行控制；③對電池連接接口自檢，即檢測它能否進(jìn)行電壓采樣得到各節(jié)電池電壓，及能否對各節(jié)電池進(jìn)行充電。

系統(tǒng)自檢結(jié)果通過前面板紅色LED燈顯示，并通過告警或故障信號送給上位機(jī)軟件。自檢出錯包括以下3個等級：連接故障（WIRING）、系統(tǒng)警告（WARING）和系統(tǒng)錯誤（FAULT）。CAN口通訊自檢采用CAN口回環(huán)通訊測試，并通過前面板雙色LED顯示（紅色表示CAN口通訊不正常，綠色表示CAN口通訊正常）。

2.4 巡檢功能設(shè)計

智能電池管理單元上電時及每次充電后，需對電池組進(jìn)行巡檢，并對電池狀況進(jìn)行顯示。巡檢時，系統(tǒng)將通過對各電池電壓采樣，確認(rèn)電池組線路連接及電池正常。當(dāng)其中某節(jié)電池電壓＜10.5V時，則報警信號輸出，LED指示，并通過數(shù)碼管顯示出錯電池；電池組總電壓在130V～140V之間時報警信號輸出；電池組總電壓低于130V時故障輸出。當(dāng)檢測到電池電壓過小或者為0V時，系統(tǒng)將通過數(shù)碼管顯示報錯電池的編號，如果有多節(jié)電池則循環(huán)顯示，并通過故障電路反饋給主控系統(tǒng)。由于告警及故障信號由外部供給，因此出現(xiàn)故障時，系統(tǒng)將采用繼電器使信號回環(huán)輸出，達(dá)到告警目的，該繼電器最大允許通過電流為3A。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

本系統(tǒng)軟件設(shè)計主流程如圖5所示。系統(tǒng)上電啟動后，立即執(zhí)行初始化程序，然后對系統(tǒng)硬件和CAN口通訊功能進(jìn)行自檢，如自檢不通過則輸出故障信號，并通過數(shù)碼管顯示錯誤等級；自檢通過后，將對電池組進(jìn)行巡檢，電池巡檢正常再進(jìn)入充電流程，若出現(xiàn)異常則輸出報警，進(jìn)行錯誤處理。第一輪充電結(jié)束后，再次巡檢，并進(jìn)行二次充電。

圖5 系統(tǒng)軟件設(shè)計主流程

當(dāng)檢測到緊急變槳信號（EMC信號）時，停止充電，并馬上將電池組直流電供給變頻器，變頻器驅(qū)動伺服電機(jī)迅速收槳。EMC信號解除后，電池管理單元進(jìn)入電池巡檢程序。

4 結(jié)束語

本文設(shè)計了一套風(fēng)力發(fā)電變槳智能電池管理系統(tǒng)的方案，闡明了管理系統(tǒng)的功能及軟硬件設(shè)計過程。充分利用STM32F103微控制器對外接口豐富、功能強(qiáng)等特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了高速的數(shù)據(jù)采集和輸出控制。實(shí)際應(yīng)用證明本系統(tǒng)安全可靠，抗干擾能力強(qiáng)，維護(hù)成本低。

［1］侯紹虎.大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組變槳后備電源管理系統(tǒng)設(shè)計［D］.長沙：湖南大學(xué)，2013：11-14.

［2］張為民，李曉武，雷霆.太陽電池—鉛酸蓄電池充電控制器的研究［J］.電源技術(shù)，2004（1）：43-46.