CN110752392A - 一种基于嵌入式芯片的全钒液流电池管理系统 - Google Patents

一种基于嵌入式芯片的全钒液流电池管理系统 Download PDF

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Abstract

本发明属于电池技术领域，公开了一种基于嵌入式芯片的全钒液流电池管理系统，包括主控单元、信号采集电路、电源转换电路、逆变器、继电器控制模块、显示模块、光纤通信模块和故障报警模块，主控单元的核心控制器为型号为STM32的嵌入式芯片，信号采集电路、显示模块、光纤通信模块和故障报警模块与主控单元电连接；信号采集电路用于采集全钒液电池的电压信号、电流信号以及温度信号后发送给主控单元；主控单元通过光纤通信模块与上位机连接。本发明可以实现电池侧实时数据监测及保护，可以广泛应用于电池领域。

Description

一种基于嵌入式芯片的全钒液流电池管理系统
技术领域
本发明属于电池技术领域，具体涉及一种基于嵌入式芯片的全钒液流电池管理系统。
背景技术
全钒液流电池（Vanadium Flow Battery,缩写VFB）是绿色的产业化的新型液流电池之一。钒电池具有容量大，功率和容量独立设计，循环寿命长，绿色环保以及安全性高等特点，在光伏发电、后备电源、智能电网、军用蓄电等领域都有宽泛的使用前景。电池管理系统（Battery Management System，缩写BMS）是电池与用户之间的纽带，可以提高电池的利用率，防止电池出现过充和过放，延长电池的寿命。
国内外相关行业对BMS的研究和开发大部分都集中在电动汽车电池上。全钒液流电池由于推广较晚、推广范围较窄、控制设备昂贵以及调试环境欠缺的限制条件，钒电池的BMS研制较晚。随着钒电池的推广，越来越多的研究机构和公司也开始重视钒电池管理系统的研发。大部分研究机构像国网电力科学研究院武汉南瑞有限责任公司一样，大多采用西门子 S7-200 型号 PLC 对钒流电池进行实时监控和数据信息的采集，但是PLC端口有限，扩展成本较高且增加智能化接口困难。
发明内容
本发明克服现有技术存在的不足，所要解决的技术问题为：提供一种基于嵌入式芯片的全钒液流电池管理系统，以提高电池的利用率，防止电池出现过充和过放，保证全钒液流电运行可靠。
为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：一种全钒液流电池管理系统，包括主控单元、信号采集电路、电源转换电路、逆变器、继电器控制模块、显示模块、光纤通信模块和故障报警模块，所述主控单元的核心控制器为型号为STM32的嵌入式芯片，所述信号采集电路、显示模块、光纤通信模块和故障报警模块与所述主控单元电连接；所述信号采集电路用于采集全钒液电池的电压信号、电流信号以及温度信号后发送给所述主控单元；所述电源转换电路用于将系统电源转换为低压直流电为系统供电，所述逆变器用于将系统电源进行逆变转换后为钒电池中的循环泵供电，所述继电器控制模块的输入端与主控单元的输出端连接，输出端分别与所述循环泵和系统电源的控制端连接；所述主控单元通过所述光纤通信模块与上位机连接。
所述信号采集电路包括按钮、霍尔电压传感器、霍尔电流传感器和温度传感器，霍尔电压传感器用于直接监测钒电池的两端电压，电流传感器直接套在电池的供电线路上，用于采集钒电池的电流信号，温度传感器放置钒电池侧，用于钒电池测量温度。
所述温度传感器型号为DS18B20。
所述电源转换电路包括第一电源转换模块和第二电源转换模块，所述第一电源转换模块用于将48V直流电压的系统电源转换为24V直流电压后给所述主控模块的继电器控制模块内的继电器供电，所述第二电源转换模块用于将24V直流电压转换为5V直流电压后给所述信号采集电路供电。
所述的一种全钒液流电池管理系统，还包括保护电路，所述保护电路包括多个独立设置的光耦TLP250，所述主控模块的输出端分别通过一个光耦TLP250与所述继电器控制模块的输入端连接。
所述主控模块用于根据信号采集电路的采集信号，发送控制信号至继电器控制模块控制循环泵的启停，还用于在系统启动完成后将系统电源从备用电池切换为钒电池，以及用于系统的故障检测、显示、SOC估计和校准。
所述主控模块根据信号采集电路的采集信号，发送控制信号至继电器控制模块控制循环泵的启停的方法为：控制钒电池的充电过程为三段恒压充电，放电过程为恒功率放电。
充电时，所述主控模块控制循环泵的启停的具体步骤为：
S101、判断电流I是否大于等于快慢充分界电流值I0，若是，进入快充，转入步骤S102，若否，转入步骤S103；
S102、判断U大于等于第一阈值电压U1，若是，进入步骤S103，若否，返回步骤S101；
S103、判断U是否大于等于第二阈值电压U2，若是，进入步骤S104，若否，返回步骤S101；
S104、涓流充电，并检测电压U是否大于等于过保护阈值电压U0，若是，停泵，若否，继续执行步骤S104；
放电时，所述主控模块控制循环泵的启停的具体步骤为：
S201、开始放电；
S202、判断电压U是否大于等于放电阈值电压U3，若是，则进入步骤S203，若否，则停泵；
S203、判断电流I是否大于等于快慢充分界电流值I0，若是，则继续放电，若否，则返回步骤S202。
所述过保护阈值电压U0为60V，所述快慢充分界电流值I0为35A，所述第一阈值电压U1为58+0.03I，所述第二阈值电压U2为59V+0.03I，所述放电阈值电压U3为42V。
所述主控模块还用于判断电池的状态，其判断方法为：判断是否满足电流I>0且电压低于过保护阈值电压，若满足，则判定为充电状态；否则，继续判断电压U是否大于过保护阈值电压，若大于，则停泵，否则，判定为放电状态。
本发明与现有技术相比具有以下有益效果：
本发明提供了一种基于嵌入式芯片的全钒液流电池管理系统，实现了电压、电流、温度等信号的采集以及工作状态的监测和控制，并能存储和远程上传数据。该系统利用霍尔传感器实现电压电流的采集，采用修正卡尔曼滤波法实现SOC估计，估计误差可控制在3%以内。利用MCGS组态软件实现数据的实时监测以及故障诊断和显示，并控制钒电解液的活化和混合；系统在设计过程中采用STM32，成本低，扩展空间大；能够提高电池的利用率，防止电池出现过充和过放。此外，系统在硬件电路和软件设计中分别采取滤波保证采集数据的精度，采用光耦加继电器双重隔离保证可靠性。系统经过实验室测试和现场联机测试，运行稳定，可投入批量研制和生产。总之，本发明不仅可实现电池侧实时数据监测、故障诊断以及保护，还能存储和远程电脑和手机同时访问数据，并且端口扩展简单且成本低。
附图说明
图1为本发明实施例提供的一种全钒液流电池管理系统的结构示意图；
图2为为全钒液流储能电池（VFB）的工作原理图；
图3为信号采集电路和主控单元的电路原理图；
图4为电源转换电路的电路原理图；
图5为保护电路的电路原理图；
图6为继电器控制模块的电路原理图；
图7为全钒液流电池循环泵的启停控制流程图。
图中：1为电堆，2为正极电解液，3为负极电解液，4为正泵，5为负泵。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例；基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
如图1所示，本发明实施例提供了一种全钒液流电池管理系统，包括主控单元、信号采集电路、电源转换电路、备用锂电池、逆变器、继电器控制模块、显示模块、光纤通信模块和故障报警模块。
其中，所述信号采集电路、显示模块、光纤通信模块和故障报警模块与所述主控单元电连接；所述信号采集电路用于采集全钒液电池的电压信号、电流信号以及温度信号后发送给所述主控单元；所述电源转换电路用于将系统电源转换为低压直流电为系统供电，所述逆变器用于将系统电源进行逆变转换后为钒电池中的循环泵供电，所述继电器控制模块的输入端与主控单元的输出端连接，输出端分别与所述循环泵和系统电源的控制端连接；所述主控单元通过所述光纤通信模块与上位机连接。故障报警模块包括指示灯和蜂鸣器，其通过指示灯的颜色变化和蜂鸣声提示故障，便于操作人员及时排除故障。
本实施例中，显示模块采用昆仑通泰的屏，基于MCGS组态软件进行上位机开发。上位机软件可以实时的监控电池的工作状态、采集的相关参数、运行曲线、故障点以及进行参数校准。
具体地，本实施例中，所述信号采集电路包括按钮、霍尔电压传感器、霍尔电流传感器和温度传感器，霍尔电压传感器用于直接监测钒电池的两端电压，电流传感器直接套在电池的供电线路上，用于采集钒电池的电流信号，温度传感器放置钒电池侧，用于钒电池测量温度。
如图2所示，为全钒液流储能电池（VFB）的工作原理图；VFB是一种不同价态钒离子作为正负极电活性物质，活性物质溶解于支持电解质中呈液态循环流动的新型氧化还原储能液流电池。VFB的工作原理图如图1所示，整个储能电池由两个半电池的电解液，外接循环泵，电堆以及相关管路组成。其工作原理：通过外接正负两个交流循环泵，把储液罐中的电解液泵入电堆内部，使其在不同的储液罐和半电池的闭合回路中循环流动，在两个氧化还原电对的电势差的作用下，进入半电池的电解液在电极表面发生氧化还原反应，使电池完成充放电。
如图3所示，本实施例中，所述主控单元的核心控制器为型号为STM32的嵌入式芯片，本实施例中，面向5kW 30kWh的全钒液流储能电池而设计，电池的功率为5KW，电堆电压为48V，容量可达30KWh。本实施例中，对VFB进行端电压采集时，需要将端电压的电压信号转换为0~3V的电压信号，然后系统对0~3V的电压信号进行采集。对VFB进行运行电流采集时，利用霍尔电流传感器也是将电流转换成0~3V的电压信号，然后系统对0~3V的电压信号进行采集。本实施例采用DS18B20进行电堆温度采集，采集的温度值转换成电阻值，再将电阻值转换成电压值输入值系统。STM32自带12位18通道的ADC转换器，因此，采集到的电压、电流和温度信号经过转换后进入STM32内置的ADC中进行转换。
具体地，本实施例中，所述电源转换电路包括第一电源转换模块和第二电源转换模块，所述第一电源转换模块用于将48V直流电压的系统电源转换为24V直流电压后给所述主控模块的继电器控制模块内的继电器供电，所述第二电源转换模块用于将24V直流电压转换为5V直流电压后给所述信号采集电路供电。如图4所示，为电源转换电路的电路原理图。
具体地，如图1所示，本实施例提供的一种全钒液流电池管理系统，还包括保护电路，如图5所示，所述保护电路包括多个独立设置的光耦TLP250，所述主控模块的输出端分别通过一个光耦TLP250与所述继电器控制模块的输入端连接，此外，主控模块的输出端还分别通过一个光耦TLP250与显示模块连接，并通过显示模块连接通讯模块，进而与上位机连接。为了保证VFB的稳定可靠运行，在硬件电路设计过程中要充分考虑其抗干扰性、安全性和可靠性。BMS系统中直交流信号共存，同时还有各种开关信号。为了减少电磁干扰，本实施例中，采用光耦和继电器二级保护设计。主控芯片STM32与光耦tlp250相连进行直交流的隔断，光耦tlp250的输出信号控制继电器控制模块中的继电器HFD27-024-S，进行二次干扰信号隔离。
如图6所示，本发明实施例中，所述继电器控制模块包括正负泵的启停控制、钒锂电池的供电控制、手动自动的切换、紧急制动以及上电自锁电路，本模块由17个24V的JRC-27F继电器实现控制。为了提高安全性，自动控制电路与手动控制电路完全分离，手动控制全部由继电器进行控制，尤在钒锂输入处采用两路继电器进行控制，大大提高了系统的可靠性，并对钒锂电池的正负两极同时进行控制，以避免出现不必要的电磁干扰，所述模块留有一个继电器与相应的接口根据控制需求可以进行扩展。
具体地，本发明实施例中，所述主控模块用于根据信号采集电路的采集信号，发送控制信号至继电器控制模块控制循环泵的启停，还用于在系统启动完成后将系统电源从备用电池切换为钒电池，以及用于系统的故障检测、显示、SOC估计和校准。
具体地，本实施例中，所述主控模块根据信号采集电路的采集信号，发送控制信号至继电器控制模块控制循环泵的启停的具体方法如图7所示，其中，控制程序主要通过交流循环泵的启停操作达到对电池充放电的控制以及过充过放的保护。VFB工作时的状态主要有充电、放电和待机。在充放电时，过充和过放电压设置为60V。为了保证电池的充放电过程中，电解液和电池内的能量均匀，采用恒压充电，恒功率放电。充电时先快充，后慢充，电流小于35A为慢充，大于35A为快充。
如图7所示，主控模块首先判断电池的工作状态，其判断方法为：判断是否满足电流I>0且电压低于过保护阈值电压U0，若满足，则判定为充电状态；否则，继续判断电压U是否大于过保护阈值电压U0，若大于，则停泵，否则，判定为放电状态。
具体地，如图7所示，充电时，其控制的具体步骤为：
S101、判断电流I是否大于等于快慢充分界电流值I0，若是，进入快充，转入步骤S102，若否，转入步骤S103；
S102、判断U大于等于第一阈值电压U1，若是，进入步骤S103，若否，返回步骤S101；
S103、判断U是否大于等于第二阈值电压U2，若是，进入步骤S104，若否，返回步骤S101；
S104、涓流充电，并检测电压U是否大于等于过保护阈值电压U0，若是，停泵，若否，继续执行步骤S104；
具体地，如图7所示，其控制的具体步骤为：
S201、开始放电；
S202、判断电压U是否大于等于放电阈值电压U3，若是，则进入步骤S203，若否，则停泵；
S203、判断电流I是否大于等于快慢充分界电流值I0，若是，则继续放电，若否，则返回步骤S202。
具体地，本实施例中，所述过保护阈值电压U0为60V，所述快慢充分界电流值I0为35A，所述第一阈值电压U1为58+0.03I，所述第二阈值电压U2为59V+0.03I，所述放电阈值电压U3为42V。
SOC估计是电池管理系统的基本功能，也是重要的功能之一。SOC的正确估计可以预估电池的剩余工作时间，防止出现过充或者过放，延长电池的使用寿命。本发明实施例中，系统采用修正卡尔曼滤波实现SOC估计。修正卡尔曼滤波算法是综合开路电压法、安时积分法和卡尔曼滤波算法的优点，在系统开机时使用开路电压法确定 SOC 初始值，之后交替使用安时积分法和卡尔曼滤波法，以卡尔曼滤波法对安时积分法的估算结果进行修正，达到快速准确在线估算 SOC 的目的。
为了验证数据采集精度以及运行的可靠性，对系统进行了模拟试验和联机测试。根据控制逻辑，可以正确的完成泵的启停。供电电源模拟供电和现场联机工作过程中，采集回的电压、电流以及温度，精度满足要求。采用修正卡尔曼滤波进行剩余电荷量估计，精度可达3%以内。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (10)

1.一种全钒液流电池管理系统，其特征在于，包括主控单元、信号采集电路、电源转换电路、逆变器、继电器控制模块、显示模块、光纤通信模块和故障报警模块，
所述主控单元的核心控制器为型号为STM32的嵌入式芯片，所述信号采集电路、显示模块、光纤通信模块和故障报警模块与所述主控单元电连接；所述信号采集电路用于采集全钒液电池的电压信号、电流信号以及温度信号后发送给所述主控单元；所述电源转换电路用于将系统电源转换为低压直流电为系统供电，所述逆变器用于将系统电源进行逆变转换后为钒电池中的循环泵供电，所述继电器控制模块的输入端与主控单元的输出端连接，输出端分别与所述循环泵和系统电源的控制端连接；所述主控单元通过所述光纤通信模块与上位机连接。
2.根据权利要求1所述的一种全钒液流电池管理系统，其特征在于，所述信号采集电路包括按钮、霍尔电压传感器、霍尔电流传感器和温度传感器，霍尔电压传感器用于直接监测钒电池的两端电压，电流传感器直接套在电池的供电线路上，用于采集钒电池的电流信号，温度传感器放置钒电池侧，用于钒电池测量温度。
3.根据权利要求1所述的一种全钒液流电池管理系统，其特征在于，所述温度传感器型号为DS18B20。
4.根据权利要求1所述的一种全钒液流电池管理系统，其特征在于，所述电源转换电路包括第一电源转换模块和第二电源转换模块，所述第一电源转换模块用于将48V直流电压的系统电源转换为24V直流电压后给所述主控模块的继电器控制模块内的继电器供电，所述第二电源转换模块用于将24V直流电压转换为5V直流电压后给所述信号采集电路供电。
5.根据权利要求1所述的一种全钒液流电池管理系统，其特征在于，还包括保护电路，所述保护电路包括多个独立设置的光耦TLP250，所述主控模块的输出端分别通过一个光耦TLP250与所述继电器控制模块的输入端连接。
6.根据权利要求1所述的一种全钒液流电池管理系统，其特征在于，所述主控模块用于根据信号采集电路的采集信号，发送控制信号至继电器控制模块控制循环泵的启停，还用于在系统启动完成后将系统电源从备用电池切换为钒电池，以及用于系统的故障检测、显示、SOC估计和校准。
7.根据权利要求1所述的一种全钒液流电池管理系统，其特征在于，所述主控模块根据信号采集电路的采集信号，发送控制信号至继电器控制模块控制循环泵的启停的方法为：控制钒电池的充电过程为三段恒压充电，放电过程为恒功率放电。
8.根据权利要求7所述的一种全钒液流电池管理系统，其特征在于，充电时，所述主控模块控制循环泵的启停的具体步骤为：
S101、判断电流I是否大于等于快慢充分界电流值I0，若是，进入快充，转入步骤S102，若否，转入步骤S103；
S102、判断U大于等于第一阈值电压U1，若是，进入步骤S103，若否，返回步骤S101；
S103、判断U是否大于等于第二阈值电压U2，若是，进入步骤S104，若否，返回步骤S101；
S104、涓流充电，并检测电压U是否大于等于过保护阈值电压U0，若是，停泵，若否，继续执行步骤S104；
放电时，所述主控模块控制循环泵的启停的具体步骤为：
S201、开始放电；
S202、判断电压U是否大于等于放电阈值电压U3，若是，则进入步骤S203，若否，则停泵；
S203、判断电流I是否大于等于快慢充分界电流值I0，若是，则继续放电，若否，则返回步骤S202。
9.根据权利要求8所述的一种全钒液流电池管理系统，其特征在于，所述过保护阈值电压U0为60V，所述快慢充分界电流值I0为35A，所述第一阈值电压U1为58+0.03I，所述第二阈值电压U2为59V+0.03I，所述放电阈值电压U3为42V。
10.根据权利要求8所述的一种全钒液流电池管理系统，其特征在于，所述主控模块还用于判断电池的状态，其判断方法为：判断是否满足电流I>0且电压低于过保护阈值电压，若满足，则判定为充电状态；否则，继续判断电压U是否大于过保护阈值电压，若大于，则停泵，否则，判定为放电状态。
CN201911008152.5A 2019-10-22 2019-10-22 一种基于嵌入式芯片的全钒液流电池管理系统 Pending CN110752392A (zh)

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* Cited by examiner, † Cited by third party
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CN113161582A (zh) * 2021-02-01 2021-07-23 山西国润储能科技有限公司 全钒液流电池微电网控制系统
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