本文是一篇电气自动化论文，本文选取了 6000mAh 的磷酸铁锂电池作为储能电池，在不同环境和不同工作状态下对该型号电池做了一系列循环实验。实验表明电池温度过高或者过低时都会影响电池的性能，另外大电流充放电也会对电池造成损坏，缩短电池寿命。基于实验数据，完成了电池的二阶等效模型的建立。
1 绪论
1.1 课题研究背景和意义
随着生活水平的提高，人们有更多的时间可以进行户外自驾、户外旅行等活动，普通的移动电源已经不能满足人们的需求，因此多功能户外储能电源箱的使用逐渐普遍。户外储能电源箱在国外使用较普遍，在国内使用较少，因此在国内还有很大的应用前景。本文设计的储能系统采用的电池为磷酸铁锂电池，其优点是比容量大、安全性好、支持多倍率电流放电，满足储能系统对充放电性能和安全性的要求[1-2]。
磷酸铁锂电池容量有限且电压较低，因此本文设计的储能系统将多节电池串并连接进行输出。当多节电池串联使用时，每节电池电压可能并不相同，如果电压偏差较大会造成储能系统充放电不正常，影响使用，甚至损坏电池。系统最高输出功率为 400W，最高输出电压为 AC220V，使用不当不仅会损坏设备，也可能引发安全事故，因此需要对系统的电压、电流和温度实时监测，确保系统的安全性和稳定性[3]。
本文选取的的均衡方法为耗散型均衡法，锂电池在工作过程中，由于每个单体电池的内阻不同、老化程度不同和温度不同等原因，可能导致电池电压不同，不均衡会影响系统使用的稳定性和使用寿命[4]。因此电路设计时加入了均衡电路，充电过程中，如果某一节电压比其他电池电压高一定值，这时打开均衡电路，使每节电池间的压差接近为零，本文采用硬件芯片作为均衡电路控制器，为了提高均衡效率，并且设计了外围均衡电路，从而改善系统性能[5]。
锂电池 SOC（电池荷电状态）估算是电池管理单元研究的重点[6]，本文设计的储能系统放电电流较大，且当逆变器工作时，电流波动加大，加大了 SOC估算的难度。本文将开路电压法和安时积分法结合使用预测电池 SOC，且硬件电路需要将交流输出和直流输出分开检测，加滤波电路，减小电流值的波动，通过开路电压法估算电池在非工作状态下的初始 SOC，安时积分法实时计算SOC 的变化量。
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1.2 电池管理系统国内外研究现状
1.2.1 国外研究现状
国外科研单位和高校在电池 SOC（电池荷电状态）和 SOH（电池健康状态）方面进行了大量研究，但是对于整体电池管理系统的研究较少。而国外的汽车企业单位对电池管理系统研究较多，电池管理系统是电动汽车的核心系统，电动汽车快速发展的同时，推动电池管理系统的发展。其中一些科研单位和企业提出的电池模型得到了广泛应用，并且进一步推动了电池及相关材料的发展。一些成熟的电池管理系统被研发出来，主要有：
德国的 BADICHEQ 系统[8]，由 Mentzer Electronic GmbH 和 Werner Retzlaff领导的团队开发。系统带有 RS232 通讯协议，通过此协议将采集的数据上传到控制系统，当电池出现故障时，控制系统可以快速定位故障并反馈信息。德国的 B.Hauck 设计的 BATTMAN 系统。通过软件修正参数和硬件跳线，可以管理不同型号的电池，充分发挥不同型号电池的特性。
针对电池的可靠性和安全性，美国通用汽车公司研发了 EV1 电池管理系统。在电芯设计，电极设计，电池材料选定和电池模组设计等方面，通用汽车公司都有自己的优势。将电池管理系统应用最成功的车企是美国的特斯拉公司，旗下两款电动汽车产品 Tesla Roadster 和 Tesla Model S 受到普遍欢迎。其采用三级电池管理系统对电池组工作参数实时采集，并对电池的工作状态实时监控，有效保护电池组[9]。
日本丰田公司针对电动汽车开发了一套电池管理系统，并将其搭载在旗下发布的第一款电动汽车上。该电池管理系统，不仅可以对电池的工作状态进行实时监控，保证电池安全可靠的运行[10]，还加入了对驾驶者和电动车的保护功能[11]。
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2 锂电池 SOC 估算和均衡设计
2.2 锂电池充放电特性研究与实验
因为优越的性能，锂电池被广泛应用于储能系统中。锂电池的性能和正极材料有直接关系，常见的电池正极材料有 LiNiO2, LiMn2O4, LiCoO2 及 LiFePO4等，以上四种锂离子电池性能对比如表 2-1。
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从表中可知，磷酸铁锂电池子循环能力、温度性能以及安全方面都具有优势，且铁离子很普遍，磷酸铁锂电池价格较低。结合本文设计的储能系统，要求循环次数在 2000 次以上，工作温度范围 50°C 以上，并具有很好的安全性能，因此选择磷酸铁锂电池作为本文储能系统的应用电池。
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2.3 锂电池建模分析与参数辨识
2.3.1 锂电池建模分析
通过对锂电池的充放电测试可知，电池在充放电瞬间会出现极化现象，电池电压瞬间升高或者降低。本文之前已经分析过，戴维宁等效电路不能很好的处理电池内部的极化问题，因此本文在戴维宁等效电路的基础上，串联一级阻容并联环节，发展出二阶参数模型，该模型可以很好的弥补戴维宁等效电路的缺点，更好的处理电池内部的极化问题，减小估算误差。
2.3.2 锂电池模型参数的辨识
通过辨识锂电池二阶模型的参数，可以确定二阶模型的方程，为准确预测电池的工作状态和 SOC 的估算提供支持。在温度不变情况下，主要对锂电池开路电压OCU ,极化电阻paR 和pcR ， 极化电容paC 和pcC ,欧姆内阻0R 进行辨识。
(1)开路电压OCU
开路电压的测试需要在恒温的条件下进行，避免环境温度影响电池的状态，因此将电池放置在 25°C 的恒温环境中。为了使初始电容极化电压为 0V，将电池静置 30 分钟后，进行放电测试。放电测试过程分为 10 个阶段，每个阶段使用小电流放出 0.1 电池额定容量的电量，并且每个阶段之间都要静置 30 分钟，待电池电压稳定后，记录开路电压OCU 。
同开路电压辨识的方法，将锂电池放置于 25°C 的恒温环境中。为了使初始电容极化电压为 0V，将电池静置 30 分钟后，进行放电测试。放电测试过程分为 10 个阶段，每个阶段使用恒定电流放出 0.1 电池额定容量的电量，并且每个阶段之间都要静置 30 分钟。每次放电时，记录放电前后的电压，计算出电压跌落值和欧姆电阻值。
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3 储能系统总体硬件设计...........................................26
3.1 电池管理单元硬件设计.........................................26
3.2 逆变器单元硬件设计.................................................33
4 储能系统软件设计............................................41
4.1 BMS 单元软件设计...............................41
4.2 逆变器软件设计............................................. 45
5 实验结果分析.....................................48
5.1 主控单元 PCB 以及硬件布局设计.........................................48
5.2 实验平台.......................................49
5 实验结果分析
5.1 主控单元 PCB 以及硬件布局设计
结合第三章介绍的主控单元硬件电路原理图，在 Altium Designer 软件环境下对电池管理单元的硬件电路进行 PCB 搭建，如图 5.1 所示。
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为验证均衡电路的可靠性，本节对储能进行充电均衡实验。首先，将电池组中单体电池 B3，通过负载单独进行小电流放电，当电压下降 0.1V 时结束放电。静置一段时间，然后对电池组进行充电，充电电流为恒定的 1000mA。通过监测设备，实时监测 B1，B2，B3 的电压。充电均衡实验数据图如图 5-7 所示。
根据测试结果可知，当 B1，B2 电压大于 3.65V 时，开始对 B1，B2 充电均衡，使其电压缓慢上升，同时 B3 电压快速上升，逐渐趋近与 B1 和 B2 的电压。当充电结束时，B1，B2，B3 的电压接近，它们之间的压差在合理范围内，因此实验表明，本文设计的均衡电路满足设计要求。
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6 结论与展望
本文研究了一种基于磷酸铁锂电池的储能系统。主要包括电池管理单元和逆变器单元。其中电池管理单元是储能系统的核心部分，功能包括参数采集、充放电保护、均衡控制、数据通讯等，保证储能系统安全稳定的运行。另外，通过逆变器输出交流电，增加了储能的使用范围。具体工作如下：
本文选取了 6000mAh 的磷酸铁锂电池作为储能电池，在不同环境和不同工作状态下对该型号电池做了一系列循环实验。实验表明电池温度过高或者过低时都会影响电池的性能，另外大电流充放电也会对电池造成损坏，缩短电池寿命。基于实验数据，完成了电池的二阶等效模型的建立。通过模型分析，提出了开路电压法和安时积分法结合的方式估算 SOC，并根据电池温度、老化程度修正了 SOC 计算系数。
完成储能系统总体硬件设计，包括电池管理单元硬件设计和逆变器硬件设计。BMS 单元主要实现对整个系统实时监控，采集系统电压温度数据，逆变器状态参数，并将采集数据进行处理。并采取双重保护模式，提升了硬件系统的稳定性和安全性。均衡方式采用相对简单、安全可靠的耗散型均衡方式，并在设计时注意通风散热。逆变器采用二级结构，前级将交流电转换成需要的母线直流电压。后级控制器输出调制波形，控制 MOSFET 的开关，得到需要的交流电压波形。
参考文献（略）