石懷學(xué) （1.中鐵建設(shè)集團(tuán)有限公司，北京 100040；2.中鐵建設(shè)集團(tuán)華東工程有限公司，江蘇 昆山 215332）

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，中國(guó)已是世界上最大的能源消費(fèi)國(guó)，能源短缺問題日趨嚴(yán)重，提高清潔能源等非石化能源的占比至關(guān)重要，太陽能分布廣泛、儲(chǔ)量巨大，是一種優(yōu)質(zhì)的可再生清潔能源，越來越受到國(guó)家政策的支持。隨著大型集中式地面電站建設(shè)開發(fā)的飽和，BIPV（Building Integrated Photovoltaic，光伏建筑一體化）電站等分布式光伏應(yīng)用將成為我國(guó)太陽能應(yīng)用的重點(diǎn)發(fā)展方向[1]。BIPV 作為綠色建筑的主流形式，代表了城市和建筑能源發(fā)展的未來趨勢(shì)。儲(chǔ)能型 BIPV 通過蓄電池組對(duì)能量進(jìn)行存儲(chǔ)和緩沖，具有較好的削峰填谷做好用，對(duì)電網(wǎng)的電能質(zhì)量影響小，并可最大限度的發(fā)揮就地發(fā)電就地消納的地域均衡優(yōu)勢(shì)?；丈袕V場(chǎng)項(xiàng)目，是一棟超高層辦公商業(yè)綜合體建筑，建筑高度達(dá)128 m，幕墻高度達(dá) 148.3 m，有著強(qiáng)大的光照強(qiáng)度和光照面積及風(fēng)能采集高度優(yōu)勢(shì)，擬采用該項(xiàng)技術(shù)。

電池組是儲(chǔ)能型光伏電站的基礎(chǔ)裝備，電池組的狀態(tài)對(duì)發(fā)電系統(tǒng)的能效和安全等具有決定性的影響，因此儲(chǔ)能電站的蓄電池組需實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)蓄電池組的各狀態(tài)量，以保證電池組的安全運(yùn)行、延長(zhǎng)電池組使用壽命、提升儲(chǔ)能型 BIPV 的綜合能效[2]。

1 總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

蓄電池組的核心運(yùn)行參數(shù)包括蓄電池電壓、充放電電流、蓄電池溫度。蓄電池電壓受活性物質(zhì)含量的影響，表征了蓄電池的剩余容量；充放電電流表征了電化學(xué)反應(yīng)的烈度，適當(dāng)?shù)某浞烹婋娏鲗?duì)延長(zhǎng)蓄電池壽命具有重要意義；蓄電池溫度受電池內(nèi)阻和工作電流的影響，表征電池的安全狀態(tài)和健康狀態(tài)[3]。某 BIPV 試驗(yàn)電站儲(chǔ)能電池組采用 24 V 100 Ah 的 VRAL 鉛酸蓄電池，擴(kuò)容結(jié)構(gòu)為 10 串 2 并，最大充放電電流為 0.1C，為了實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程儲(chǔ)能電池組單體電壓、充電電流、放電電流和單體電池溫度的監(jiān)測(cè)，設(shè)計(jì)了結(jié)構(gòu)如如圖 1 所示的狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。

圖1 蓄電池狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

2 硬件設(shè)計(jì)

2.1 CC2530核心電路

系統(tǒng)控制核心采用 CC2530 芯片，該芯片集單片機(jī)、ADC、無線通信模塊于一體，滿足電池電壓采集、電流采集、溫度采集、無線通信和低功耗的軟硬件功能需求。電路如圖 2 所示，CC2530 的 P0 口設(shè)置為模擬量輸入端口，用于采集電壓電流信號(hào)；CC2530 的 P1 口設(shè)置為數(shù)字量輸入輸出端口，用于系統(tǒng)控制和溫度數(shù)據(jù)通信。

圖2 CC2530核心電路

2.2 多通道模擬開關(guān)控制電路

CC 2530 片內(nèi)集成了 8 通道 ADC，但由于被測(cè)電池組有20 個(gè)單體電壓需要監(jiān)測(cè)，超過了 CC2530 的固有資源，因此通過多通道模擬開關(guān) ADG 732 來選擇各被測(cè)電壓，通道選擇由 CC 2530 的 P1.0～P1.4 各引腳的邏輯狀態(tài)確定。電路如圖 3 所示。

圖3 多通道模擬開關(guān)控制電路

2.3 電池組及系統(tǒng)供電電路

儲(chǔ)能電池組的構(gòu)成如圖 4（a）所示，電池 BAT 1～BAT 10和電池 BAT 11～BAT 20 分別串聯(lián)成支路后并聯(lián)，電阻 R5 和R 6 為各支路的電流采樣電阻。

為了協(xié)調(diào)串聯(lián)電池組各單體電池的共模電壓和電壓檢測(cè)電路的輸入范圍，系統(tǒng)以串聯(lián)電池組中的第 5 個(gè)電池 BAT 5為供電基準(zhǔn)，電池組中各電池相對(duì)于 BAT 5 負(fù)極的偏置電壓均在單體電池電壓檢測(cè)變換電路的輸入許可范圍之內(nèi)。系統(tǒng)所需的 ±15 V、±5 V 和 3.3 V 轉(zhuǎn)換電路如圖 4（b）所示。

圖4 電池組及系統(tǒng)供電電路

2.4 蓄電池電壓檢測(cè)電路設(shè)計(jì)

單體電池電壓檢測(cè)變換電路通過高共模輸入的差動(dòng)運(yùn)放 INA117 實(shí)現(xiàn)，該芯片的許可的共模電壓為 ± 200 V，在電源電路的配合下，可滿足本項(xiàng)目?jī)?chǔ)能電池組的電壓監(jiān)測(cè)需求。具體電路如圖 5 所示，各電池的正極接至運(yùn)放 INA117的同相輸入端，電池的負(fù)極接至運(yùn)放 INA117 的反相輸入端，運(yùn)放輸出值即為該被測(cè)電池兩端的電壓差值；為了匹配CC2530 內(nèi)置 ADC 的輸入范圍，模擬開關(guān)輸出端通過精密低溫漂電阻進(jìn)行了分壓。

圖5 蓄電池電壓檢測(cè)電路

2.5 電流檢測(cè)電路設(shè)計(jì)

電流檢測(cè)采用 50 mΩ 精密采樣電阻，采樣電阻兩端的電位差經(jīng)前級(jí)差動(dòng)放大器 INA117 求差后再由后級(jí)運(yùn)放OP07 放大，電路如圖 6 所示。由于 INA117 具有極高的輸入阻抗，可以有效避免放大器電阻網(wǎng)路對(duì)被測(cè)電流的影響；電阻 R4 和電阻 R3 的阻值比為 1.5，后級(jí)運(yùn)放所接的VREF 為0.6 V，由 REF3120 穩(wěn)壓芯片的輸出經(jīng)電位器分壓得到；當(dāng)被測(cè)電流在 ± 20 A 的額定范圍內(nèi)時(shí)，后級(jí)輸出 VISI1的范圍為 0～3 V，接至 CC2530 的 P0.1；另一路電流檢測(cè)電路結(jié)構(gòu)相同，將 BAT11- 和 BAT- 之間的點(diǎn)位差轉(zhuǎn)換成 VIS2輸出至 CC2530 的 P 0.2。

圖6 電流檢測(cè)電路

2.6 溫度檢測(cè)電路設(shè)計(jì)

溫度檢測(cè)傳感器采用數(shù)字式溫度傳感器 DS18B20，DS18B20 片內(nèi)固化全球唯一的 64 位 ID 號(hào)作為獨(dú)立標(biāo)識(shí)。微處理器可根據(jù)該 ID 號(hào)辨識(shí)和區(qū)分總線上的器件，從而允許多只 DS18B20 同時(shí)掛接在一條單線總線上，因此，可以很方便地實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)測(cè)溫。各傳感器采用并聯(lián)方式導(dǎo)熱硅脂貼裝于各 VRLA 的正極接線柱上，電源及信號(hào)線采用 3 芯屏蔽線。電路如圖 7 所示，溫度檢測(cè)傳感器的信號(hào)線 DQ 接至CC2530 的 P1.7 端口，由于 DS18B20 的信號(hào)線 DQ 在溫度檢測(cè)傳感器片內(nèi)為開漏結(jié)構(gòu)，因此配置了 4.7 K 的上拉電阻；芯片供電為 ＋3.3V，以便于和 CC 2530 的邏輯電平相匹配；為了確定溫度檢測(cè)傳感器和蓄電池的對(duì)應(yīng)關(guān)系，本項(xiàng)目在調(diào)試過程中通過手持加溫的方式逐個(gè)對(duì)芯片進(jìn)行了識(shí)別和匹配。

圖7 溫度檢測(cè)電路

3 軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的軟件功能包括蓄電池電壓采集、電流采集、溫度采集和 ZigBee 通訊管理，系統(tǒng)軟件的總流程圖如圖 8 所示。初始化模塊負(fù)責(zé)完成 CC2530 的 P0 口和 P1 口功能初始化、定時(shí)器初始化、模擬開關(guān)通道初始化、無線功率設(shè)置和信道設(shè)置；DS18B20 枚舉識(shí)別模塊負(fù)責(zé)確定系統(tǒng)內(nèi)所有DS18B20 的 ID 識(shí)別；循環(huán)體包括電壓監(jiān)測(cè)模塊、電流監(jiān)測(cè)模塊、溫度巡檢模塊和數(shù)據(jù)發(fā)送模塊；電池電壓巡檢模塊完成多通道模擬開關(guān)選通控制、ADC 轉(zhuǎn)換和標(biāo)度變換；電流檢測(cè)模塊完成兩個(gè)支路充放電電流的 ADC 轉(zhuǎn)換和標(biāo)度變換；溫度檢測(cè)模塊通過所枚舉識(shí)別出的 DS18B20 的 ID 號(hào)，依次讀取溫度值；數(shù)據(jù)通信則負(fù)責(zé)將上述監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)發(fā)送至監(jiān)控端；為了降低系統(tǒng)的能耗，循環(huán)體中增加了延時(shí)模塊。

4 結(jié) 語

基于 CC2530 和電壓電流溫度檢測(cè)電路，實(shí)現(xiàn)了 BIPV儲(chǔ)能電池組的遠(yuǎn)程狀態(tài)監(jiān)測(cè)，為 BIPV 電站的智能運(yùn)維提供了實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)支持。通過 HIOKI 3238 萬用表和 FLUKE51-II 測(cè)溫儀對(duì)系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行了比對(duì)，比對(duì)結(jié)果表明系統(tǒng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性達(dá)到了施工方的設(shè)計(jì)要求，是一種低成本高壓電池組監(jiān)測(cè)解決方案。未來將完善集中監(jiān)控端的軟硬件設(shè)計(jì)，并對(duì)監(jiān)測(cè)端進(jìn)行擴(kuò)容，以滿足更大功率容量的BIPV 儲(chǔ)能電站蓄電池組的狀態(tài)監(jiān)測(cè)需求。