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3、BMS软件设计
3.1 软件流程
图4所示为BMS软件流程图,BMS软件的设计目的是完整的储能装备控制系统,实现电池电压、电流、温度采集,电池荷电状态的估算,单体电压均衡,过充过放保护,与上位机通信功能。BMS的软件设计思想采用模块化和层次化的设计思路。模块化是将要实现的同一功能综合到一个代码段内部进行统一管理,便于修改。多个软件功能使用用单独函数实现,程序得以分割;另外单独函数在一定程度上可以被复用。层次化是在软件运行中将一个工作分成多个环节,分别由不同的硬件和软件模块完成,以便于程序内部各个函数之间进行通讯,调用和维护。BMS系统在运行主程序时,不断地调用各个独立的子函数,来协同完成对数据的采集和处理。
BMS软件首先进行系统初始化:任务是完成硬件上电检查,各个功能模块的初始化以及应用程序的初始化。初始化模块包含软件定时器、外围通信协议SPI初始化、存储器、A/D模块、串口通信SCI、总线时钟、指示灯设置等初始化模块;应用程序初始化包含对各个变量初始值的设定、相关变量和数组的申明、通讯协议以及电压、电流及温度保护上限和下限预设值的定义等。其中保护上下限值、电池总安时数等预设值还可以通过BMS串口通信进行在线设定,以增加系统的弹性稳定性。第二获取各初始值并进行初始值状态判定,并写入通讯芯片的寄存器中。然后软件进入采集循环,通过调用子程序进入中断,查询、操作与中断返回的方式获取电池多个关键信息,执行多项电池操作。在中断执行完后返回主函数循环。软件通过不断跳出与返回循环,完成系统各项任务。
图4 软件流程图
3.2 中断响应
串口通讯是通过响应串口中断来实现的,程序中除了串口还设置有定时中断和电流检测中断等。对于本系统主芯片MC9S08DZ60的中断优先级如表1所示。
表1 中断优先级
主程序中采用的是定时中断的处理方法,每个中断响应时,完成不同的任务。中断响应以后,程序主要采集电压、温度、电流值;锂电池状态判定;控制FET对电池的充放电开关控制,锂电池单体电压的均衡控制,电池剩余容量SOC的估算等。系统和上位机的通信采用的是串口中断通信,上位机以MODBUS协议为基础改编,在芯片接收代码并校验以后,读取寄存器中的各项数据值,返回至上位机,供监测人员实时观测状态。通讯协议中支持读取芯片寄存器中的内容,同样也支持修改寄存器中初始化设定的各项预设值,便于根据不同的使用状态来修改上下限值。
3.3 电池控制
储能装备挂载在直流母线上,需要进行全面控制,避免电池组出现失控情况。表2所示为电池组控制表,对电池组截止电压、截止电流、高低温以及电池单体均衡进行控制,当控制变量超过限定值时进行控制,待控制变量恢复到限定值内时解除控制。
表2 电池组控制表
其中电压控制、充电电流控制由电池单体性能决定;放电过电流控制是为避免母线短路情况下的电池过放采取的控制手段;高低温控制是根据储能装备的实际使用环境确定的-10℃~50℃的保护值;电池均衡是解决电池单体电压失衡的有效手段。
4、测试及实际应用
4.1 储能装备测试
将BMS电路板放入老化试验箱48h进行设备老化测试后,与电池组、箱体等进行组装,PACK完成后的储能装备如图所示。测试分为环境试验和功能测试两部分。
根据储能装备实际使用环境,结合技术要求进行模拟环境测试。测试条件为:
表3 储能装备测试条件
表4所示为储能装备的环境测试结果。由表4可知:储能装备在低压低温、低压高温、常压低温、常压高温的4类低频随机振动环境下,充放电状态符合软件逻辑,通信状态均正常,装备状态均可正常使用。
表4 储能装备环境测试结果
注:A低温B高温M低压L常压Fc振动
文章作者:廖闻迪,深圳市建筑科学研究院有限公司,博士,研究方向:交直流不间断供电装备技术研究与装备设计。
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