电 池 的 安 全 和 寿 命 经 过 近 些 年 的 发 展, 市 场 上 已 经 有 了 一 些 比 较 成 熟 的 电 池 管 理 产 品 和 解 决 方 案 如 美 国 Metric Mind 公 司 开 发 的 Smooth Talk 电 动 汽 车 电 池 管 理 系 统 英 国 REA

Smart Grid 智 能 电 网, 2013, 3, 59-67 doi:10.12677/sg.2013.33011 Published Online June 2013 (http://www.hanspub.org/journal/sg.html) Design and Implementation of a Battery Management Emulation System * Miao Wang 1, Junwei Cao 1,2, Chao Wei 1, Chao Lu 3 1 Research Institute of Information Technology, Tsinghua University, Beijing 2 Tsinghua National Laboratory for Information Science and Technology, Beijing 3 Department of Electrical Engineering, Tsinghua University, Beijing Email: jcao@tsinghua.edu.cn Received: Apr. 6 th, 2013; revised: Apr. 28 th, 2013; accepted: May 7 th, 2013 Copyright 2013 Miao Wang et al. This is an open access article distributed under the Creative Commons Attribution License, which permits unrestricted use, distribution, and reproduction in any medium, provided the original work is properly cited. Abstract: Utilization of computer and internet technology for battery management systems is proposed in this paper, which is traditionally based on analog circuit and microcontroller. This brings greater security and longer life for the battery system and reduces hardware complexity and cost. This paper discusses design and implementation process of the battery management system which emulates an energy storage system that consists of a number of battery cells using MATLAB Simulink. Monitoring and controlling the emulated battery system is implemented by software. The system provides web-based user interfaces to control emulated battery and visualizes the change of cell parameters in a friendly way. Experiments are carried out to verify system functions and to explore how to decide computer control period. Keywords: Battery Management; Simulink Emulation; Computer Control System; Ajax Technology * 储 能 电 池 管 理 系 统 仿 真 平 台 的 设 计 与 实 现 王 淼 1, 曹 军 威 1,2, 魏 超 1, 陆 超 3 1 清 华 大 学 信 息 技 术 研 究 院, 北 京 2 清 华 信 息 科 学 与 技 术 国 家 实 验 室, 北 京 清 华 大 学 电 机 工 程 与 应 用 电 子 技 术 系, 北 京 Email: jcao@tsinghua.edu.cn 收 稿 日 期 :2013 年 4 月 6 日 ; 修 回 日 期 :2013 年 4 月 28 日 ; 录 用 日 期 :2013 年 5 月 7 日 摘 要 : 本 文 提 出 了 将 计 算 机 和 互 联 网 技 术 引 入 传 统 的 基 于 模 拟 电 路 和 微 控 制 器 的 电 池 管 理 系 统 的 想 法, 以 此 为 电 池 系 统 带 来 更 高 的 安 全 性 和 更 长 的 寿 命, 降 低 电 池 端 硬 件 的 复 杂 度 和 成 本 本 文 讨 论 了 电 池 管 理 系 统 的 详 细 设 计 和 实 现 过 程 系 统 通 过 MATLAB 仿 真 工 具 Simulink 对 由 多 个 电 池 单 元 组 成 的 储 能 系 统 进 行 仿 真, 并 通 过 计 算 机 软 件 实 现 对 仿 真 电 池 系 统 的 监 视 与 控 制 在 此 基 础 上 实 现 了 在 具 体 应 用 场 景 中 通 过 Web 页 面 对 仿 真 电 池 系 统 进 行 控 制, 并 通 过 Web 页 面 以 友 好 的 方 式 展 示 控 制 过 程 中 电 池 参 数 的 变 化 最 后 通 过 实 验 对 本 系 统 的 功 能 进 行 了 验 证, 证 明 了 控 制 逻 辑 的 正 确 性, 并 探 讨 了 计 算 机 软 件 控 制 周 期 的 选 择 问 题 关 键 词 : 电 池 管 理 ;Simulink 仿 真 ; 计 算 机 控 制 系 统 ;Ajax 技 术 3 1. 引 言 随 着 国 家 加 大 对 下 一 代 智 能 电 网 建 设 的 投 入, 相 * 基 金 项 目 : 国 家 973 基 础 研 究 计 划 (2011CB302805 和 2013CB 228206); 国 家 自 然 科 学 基 金 (61233016 和 51037002) 关 技 术 的 研 究 也 逐 渐 成 为 热 门 其 中 储 能 技 术, 特 别 电 池 储 能 技 术 因 为 具 有 储 存 不 稳 定 可 再 生 能 源 ( 如 风 能, 太 阳 能 ) 所 产 生 的 电 能 的 能 力 而 受 到 重 视 [1] 但, 电 池 储 能 系 统 的 运 作 需 要 对 电 池 进 行 管 理 来 保 证 Copyright 2013 Hanspub 59

电 池 的 安 全 和 寿 命 经 过 近 些 年 的 发 展, 市 场 上 已 经 有 了 一 些 比 较 成 熟 的 电 池 管 理 产 品 和 解 决 方 案 如 美 国 Metric Mind 公 司 开 发 的 Smooth Talk 电 动 汽 车 电 池 管 理 系 统 英 国 REAP systems 公 司 开 发 的 REAP 系 列 产 品 美 国 Manzanita Micro 公 司 开 发 的 Mk3 Digital Regulator 系 统 等 这 些 产 品 的 共 性 多 采 用 纯 模 拟 电 路 或 者 简 单 的 数 字 控 制 器 进 行 控 制, 极 少 引 入 计 算 机 的 控 制 [2], 因 此 控 制 逻 辑 大 多 比 较 简 单, 不 具 有 应 用 高 级 控 制 逻 辑 的 能 力 而 且, 这 些 系 统 很 少 有 能 够 与 计 算 机 交 互 的 接 口 本 文 提 出 的 系 统 强 调 将 计 算 机 和 互 联 网 技 术 融 入 到 电 池 管 理 系 统 的 设 计 当 中, 由 计 算 机 完 成 复 杂 的 控 制 逻 辑 运 算, 为 电 池 系 统 带 来 更 高 的 安 全 性 和 更 长 的 寿 命, 而 且 可 以 降 低 电 池 端 硬 件 的 复 杂 度, 降 低 成 本 此 外, 由 于 引 入 了 互 联 网, 该 系 统 能 够 支 持 通 过 Web 访 问 的 方 式 远 程 控 制 储 能 电 站, 提 高 了 电 池 管 理 系 统 的 使 用 方 便 性 系 统 通 过 MATLAB 仿 真 工 具 Simulink 对 多 个 电 池 单 元 组 成 的 储 能 系 统 进 行 仿 真, 并 通 过 计 算 机 软 件 实 现 对 仿 真 电 池 系 统 的 监 视 与 控 制 在 此 基 础 上 利 用 最 新 的 Web 技 术 实 现 了 风 储 互 补 和 电 池 平 衡 两 个 主 要 应 用 的 仿 真 和 演 示 通 过 设 计 和 运 行 实 验 验 证 了 系 统 控 制 逻 辑 的 正 确 性 和 可 用 性, 并 进 一 步 探 讨 了 计 算 机 软 件 控 制 周 期 的 选 择 问 题 2. 储 能 电 池 管 理 系 统 设 计 本 文 中 的 储 能 电 池 管 理 系 统 一 个 CPS (Cyber- Physical Systems [3-5] ) 的 典 型 应 用, 该 系 统 通 过 软 件 模 拟 由 数 量 达 到 一 定 规 模 的 电 池 单 元 串 联 组 成 的 储 能 系 统, 实 现 对 电 池 细 粒 度 高 实 时 性 的 充 放 电 控 制, 并 且 能 够 对 电 池 平 衡 以 及 风 储 互 补 这 两 种 具 体 的 典 型 应 用 提 供 支 持 在 系 统 中 引 入 储 能 电 池 系 统 后, 由 于 电 池 单 元 在 参 数 上 的 差 异 会 随 着 使 用 逐 渐 放 大, 从 而 严 重 影 响 整 个 储 能 系 统 的 循 环 使 用 寿 命, 所 以 需 要 对 电 池 进 行 管 理 来 保 证 电 池 的 一 致 性 [6,7] 本 文 的 电 池 管 理 系 统 提 供 了 主 动 使 得 电 池 的 充 电 程 度 (State of Charge, 简 称 SOC) 保 持 一 致 的 控 制 逻 辑, 在 下 文 中 将 此 应 用 成 为 电 池 平 衡 系 统 体 系 结 构 如 图 1 所 示 系 统 被 分 为 了 MATLAB 仿 真 模 块, 核 心 程 序 集, MySQL 数 据 库,WEB 管 理 演 示 平 台 四 个 模 块 MATLAB 仿 真 模 块 主 要 利 用 MATLAB 所 包 含 的 基 于 MySQL 数 据 库 WEB 管 理 演 示 平 台 核 心 程 序 集 MATLAB 仿 真 模 块 Figure 1. Architecture diagram of the system 图 1. 系 统 体 系 结 构 图 调 用 / 终 止 建 模 的 仿 真 工 具 Simulink 中 附 带 的 电 池 模 型 模 拟 真 实 的 储 能 电 池 系 统, 能 够 输 出 电 池 的 状 态 参 数, 并 可 接 受 输 入, 根 据 输 入 改 变 状 态 参 数 ; 核 心 程 序 集 负 责 电 池 管 理 系 统 的 核 心 计 算, 该 模 块 包 含 三 个 独 立 的 程 序, 分 别 实 现 数 据 获 取 更 新 和 进 程 监 控, 风 储 互 补 应 用 中 的 相 关 控 制 和 风 电 出 力 负 载 曲 线 模 拟 以 及 电 池 平 衡 应 用 中 的 相 关 控 制 ;MySQL 数 据 库 用 于 存 储 实 时 更 新 的 电 池 参 数 用 户 信 息, 以 及 核 心 程 序 集 的 状 态 参 数 和 辅 助 数 据 ;Web 管 理 演 示 平 台 用 于 为 使 用 者 提 供 一 个 友 好 的 电 池 管 理 系 统 入 口, 不 同 角 色 的 用 户 可 以 方 便 实 时 地 通 过 此 模 块 了 解 系 统 的 运 行 状 态, 并 发 出 相 应 的 指 令 系 统 管 理 员 可 以 通 过 此 平 台 进 行 主 要 应 用 的 演 示 各 个 模 块 处 理 独 立 的 功 能, 在 协 商 好 接 口 设 计 之 后 单 独 实 现, 互 不 干 扰 下 面 详 细 描 述 各 个 模 块 的 问 题 和 相 关 设 计 2.1. MATLAB 仿 真 模 块 的 设 计 2.1.1. 电 池 仿 真 的 设 计 电 池 仿 真 通 过 Simulink 提 供 的 电 池 模 型 来 完 成, 该 模 型 解 决 了 电 池 充 放 电 特 性 模 拟 的 问 题 考 虑 到 演 示 系 统 的 规 模, 将 电 池 单 元 的 数 量 设 定 为 10 在 该 系 统 中 电 池 模 型 的 主 要 参 数 设 定 如 表 1 所 示 60 Copyright 2013 Hanspub

Table 1. Main parameters of Simulink battery model 表 1. Simulink 电 池 模 型 主 要 参 数 参 数 单 位 参 数 值 Table 2. The control commands of MATLAB simulation module 表 2. MATLAB 仿 真 模 块 控 制 命 令 定 义 命 令 别 名 含 义 Battery Type Lead-Acid 0 IDLE 空 闲 ( 停 止 充 放 电 ) Nominal Voltage V 2 Rated Capacity Ah 7 Initial State-of-Charge % 60 Maximum Capacity Ah 7.2917 Fully Charged Voltage V 2.0776 Nominal Discharge Current A 1.4 Internal Resistance Ohms 0.0028571 Capacity @ Nominal Voltage Ah 2.1719 Exponential Zone [Voltage, Capacity] V, Ah [2.0362, 0.023333] 2.1.2. 外 部 接 口 的 设 计 基 于 简 化 接 口 的 设 计 原 则,MATLAB 仿 真 模 块 以 纯 文 本 的 方 式 进 行 输 入 和 输 出 其 中 输 入 文 件 被 定 义 为 包 含 10 个 整 数 的 数 组, 用 于 控 制 电 池 的 充 放 电, 其 中 每 个 数 字 对 应 一 个 电 池 单 元, 数 字 的 具 体 含 义 如 表 2 所 示 当 所 有 控 制 位 均 为 3 时, 将 由 MATLAB 仿 真 模 块 进 行 电 池 平 衡 控 制 与 之 对 应 的 软 件 平 衡, 由 核 心 程 序 进 行 细 粒 度 的 充 放 电 控 制 来 达 到 电 池 平 衡 的 目 的 如 此 设 计 仿 真 模 块 的 输 入 实 现 了 对 硬 件 平 衡 和 软 件 平 衡 的 同 时 支 持 输 出 文 件 被 定 义 为 3 10 的 浮 点 数 组, 用 于 传 递 电 池 的 参 数, 包 括 电 池 单 元 的 SOC 电 压 和 电 流 2.2. 核 心 程 序 集 的 设 计 核 心 程 序 集 包 括 三 个 主 要 模 块, 一 把 MATLAB 仿 真 模 块 产 生 的 实 时 数 据 采 集 起 来 并 送 入 数 据 库 中 的 UPDATE 模 块, 还 有 用 来 完 成 风 储 互 补 和 电 池 平 衡 两 个 应 用 中 的 控 制 工 作 的 WIND 和 EQUALIZATION 模 块 实 现 UPDATE 程 序 时, 应 选 取 合 适 的 数 据 采 样 的 时 间 间 隔 T u,t u 与 产 生 电 池 参 数 的 时 间 间 隔 T m 之 间 应 满 足 T u >> T m 的 关 系, 从 而 保 证 数 据 的 更 新 能 够 满 足 上 层 应 用 的 需 要, 又 不 至 于 耗 费 大 量 的 计 算 能 力 本 文 在 后 面 的 实 验 环 节 探 讨 如 何 选 取 最 佳 T u, 这 里 不 再 赘 述 同 时 为 了 方 便 地 进 行 实 验, 应 当 支 持 自 定 义 1 DISCHARGE 放 电 2 CHARGE 充 电 3 EQUALIZATION 硬 件 平 衡 T u WIND 程 序 为 风 储 互 补 应 用 提 供 计 算 支 持 WIND 程 序 的 功 能 之 一 在 较 短 的 时 间 内 模 拟 一 天 24 小 时 风 力 发 电 场 的 出 力 与 负 载 状 况 MySQL 数 据 库 预 先 存 储 了 100 组 来 自 真 实 风 电 场 在 某 个 24 小 时 内 的 出 力 负 载 数 据,WIND 程 序 将 以 自 定 义 的 时 间 间 隔 ( 设 为 T w, 默 认 为 1 秒 ) 从 数 据 库 中 获 取 一 组 新 的 出 力 负 载 数 据, 这 样 就 能 实 现 在 T w 100 的 时 间 内 模 拟 了 风 电 场 24 小 时 的 出 力 与 负 载 状 况 在 每 次 获 取 一 组 新 的 出 力 负 载 数 据 之 后,WIND 程 序 需 要 对 当 前 状 态 做 出 判 断, 然 后 对 MATLAB 仿 真 模 块 输 出 控 制 命 令 EQUALIZATION 程 序 为 风 储 互 补 应 用 提 供 计 算 支 持, 功 能 比 较 单 一, 只 需 对 电 池 进 行 平 衡 控 制 EQUALIZATION 程 序 需 要 实 现 硬 件 平 衡 和 软 件 平 衡 两 种 控 制 模 式, 并 通 过 命 令 行 参 数 的 形 式 确 定 采 用 哪 种 模 式 此 外,EQUALIZATION 程 序 也 采 用 固 定 时 间 间 隔 的 控 制 模 式, 设 时 间 间 隔 为 T e 由 于 其 控 制 命 令 根 据 数 据 库 中 的 数 据 得 出 的, 而 数 据 库 中 的 数 据 更 新 周 期 为 UPDATE 程 序 的 更 新 周 期, 即 T u 如 果 取 T e < T u, 则 会 出 现 多 组 控 制 命 令 根 据 同 一 组 数 据 得 出 的, 没 有 意 义 ; 如 果 取 T e > T u, 则 会 造 成 某 些 组 的 数 据 被 略 过, 也 就 说 UPDATE 程 序 浪 费 了 计 算 资 源 所 以, 在 实 践 中, 应 当 取 T e = T u 2.3. MySQL 数 据 库 设 计 数 据 库 模 块 的 存 在 为 核 心 程 序 集 和 Web 管 理 演 示 平 台 提 供 一 个 数 据 的 桥 梁 在 数 据 库 中 我 们 分 别 设 计 了 以 下 几 张 表 :Battery 数 据 表 用 于 存 储 电 池 组 的 状 态 参 数 ;Wind 数 据 表 用 于 存 储 100 组 出 力 负 载 参 数 ;User 数 据 表 用 于 存 储 用 户 信 息, 辅 助 WEB 管 理 演 示 平 台 实 现 简 单 的 用 户 管 理 功 能 ; 还 有 两 个 用 于 存 储 核 心 程 序 集 运 行 状 态 的 数 据 表, 分 别 为 equal_ Copyright 2013 Hanspub 61

status 和 wind_time 这 两 个 数 据 表 都 只 包 含 一 个 字 段, 存 储 一 个 单 一 的 值 其 中,equal_status 只 存 储 1 条 记 录, 用 来 表 示 EQUALIZATION 程 序 正 在 运 行 中 或 者 尚 未 运 行 ;wind_time 也 只 存 储 1 条 记 录, 用 来 记 录 WIND 程 序 在 上 一 次 运 行 结 束 时 执 行 到 了 哪 一 条 出 力 负 载 状 态 2.4. Web 管 理 演 示 平 台 Web 管 理 演 示 平 台 整 个 系 统 的 最 前 端, 在 实 现 功 能 的 同 时 还 要 考 虑 界 面 用 户 体 验 的 设 计 图 2 中 展 示 了 管 理 员 权 限 的 用 户 所 能 使 用 的 功 能 项 导 航 栏 的 下 方 根 据 具 体 功 能 需 要, 以 及 当 前 应 用 的 运 行 状 态, 动 态 生 成 各 功 能 页 面 的 菜 单 数 据 图 表 统 一 使 用 开 源 项 目 Open Flash Chart 的 柱 状 图 和 折 线 图, 尺 寸 根 据 页 面 需 要 确 定 为 了 加 强 风 储 互 补 和 电 池 平 衡 两 个 应 用 的 演 示 效 果, 在 页 面 中 加 入 动 态 示 意 图 当 应 用 尚 未 启 动 时, 示 意 图 处 于 静 止 状 态 当 应 用 处 于 运 行 状 态 时, 示 意 图 处 于 动 态 的 状 态, 并 能 根 据 系 统 状 态 发 生 变 化 3. 储 能 电 池 管 理 系 统 的 实 现 3.1. MATLAB 仿 真 模 块 的 实 现 MATLAB 仿 真 模 块 实 现 电 池 状 态 的 实 时 仿 真, 能 够 接 受 控 制 命 令 并 发 送 电 池 单 元 的 状 态 该 模 块 的 输 入 与 输 出 统 一 由 一 个 自 定 义 的 S-function 处 理, 电 池 状 态 参 数 由 基 于 模 型 设 计 的 电 池 单 元 组 与 附 加 电 路 进 行 计 算 仿 真 模 块 的 整 体 运 行 流 程 如 图 3 所 示 上 述 流 程 中 最 核 心 的 部 分 控 制 电 池 的 部 分 该 部 分 的 计 算 完 全 由 电 池 单 元 与 充 放 电 控 制 模 型 进 行, 共 有 10 个 这 样 的 模 型, 各 模 型 彼 此 相 同 该 模 型 通 过 Simulink 的 模 型 设 计 工 具 实 现 的, 如 图 4 所 示 3.2. 核 心 程 序 集 的 实 现 核 心 程 序 集 用 来 实 现 对 MATLAB 仿 真 模 块 的 监 视 与 控 制 在 实 现 核 心 程 序 的 过 程 中, 为 了 使 程 序 的 Figure 2. The navigation bar: WEB management platform 图 2. WEB 管 理 演 示 平 台 导 航 栏 设 计 开 始 终 止 读 取 控 制 信 息 完 整 控 制 电 池 输 出 电 池 状 态 结 束 Figure 3. The simulative process of MATLAB 图 3. MATLAB 仿 真 的 运 行 流 程 Figure 4. The battery sells and the model of charge-discharge 图 4. 电 池 单 元 与 充 放 电 控 制 模 型 62 Copyright 2013 Hanspub

结 构 更 清 晰, 对 一 些 公 共 的 对 象 进 行 了 封 装 [8] 下 面 分 别 描 述 一 下 各 个 子 程 序 的 实 现 开 始 3.2.1. UPDATE 程 序 的 实 现 UPDATE 程 序 实 现 了 将 MATLAB 仿 真 模 块 产 生 的 参 数 更 新 到 MySQL 数 据 库 中, 并 监 控 WIND 和 EQUALIZATION 的 运 行 状 态, 确 保 系 统 在 没 有 应 用 运 行 时 对 仿 真 模 块 发 出 IDLE( 空 闲 ) 命 令 UPDATE 程 序 的 流 程 如 图 5 所 示 由 于 UPDATE 需 要 在 后 台 一 直 运 行, 所 以 被 设 计 成 死 循 环, 当 通 过 停 止 脚 本 杀 死 UPDATE 程 序 的 进 程 时,UPDATE 程 序 才 能 结 束 3.2.2. WIND 程 序 的 实 现 WIND 程 序 实 现 了 按 照 时 间 序 列 读 取 出 力 负 载 状 态, 然 后 根 据 状 态 对 MATLAB 仿 真 模 块 发 出 控 制 命 令 WIND 程 序 的 流 程 如 图 6 所 示 获 取 配 置 到 下 一 周 期 时 间 序 列 加 1 时 间 序 列 >100 获 取 序 列 对 应 参 数 时 间 序 列 置 0 结 束 3.2.3. EQUALIZATION 程 序 的 实 现 EQUALIZATION 程 序 实 现 了 根 据 电 池 各 个 单 元 的 当 前 状 态, 对 MATLAB 仿 真 模 块 发 出 平 衡 控 制 命 令, 分 硬 件 平 衡 和 软 件 平 衡 两 种 EQUALIZATION 程 序 的 流 程 如 图 7 所 示 getcontrolstr() 方 法 遍 历 当 前 所 有 电 池 单 元 的 SOC 参 数, 求 得 平 均 值, 并 按 照 表 3 为 每 一 个 电 池 单 出 力 > 负 载 设 置 充 电 控 制 信 息 writetopath () 设 置 放 电 控 制 信 息 Figure 6. The process of WIND 图 6. WIND 程 序 流 程 Table 3. The decision table of getcontrolstr() 表 3. getcontrolstr() 方 法 的 决 策 表 条 件 命 令 MAX SOC SOC i 2 CHARGE( 充 电 ) diff MAX MAX diff SOC SOC SOC i 2 2 IDEL( 空 闲 ) diff MAX SOC SOC i 2 DISCHARGE( 放 电 ) diff Figure 5. The process of UPDATE 图 5. UPDATE 程 序 流 程 元 设 置 控 制 信 息 其 中 SOC i 表 示 第 i 个 电 池 单 元 的 SOC 参 数,SOC 表 示 当 前 所 有 电 池 单 元 SOC 的 平 均 值,MAX diff 表 示 最 大 平 衡 差 异 isequalizationrequired() 方 法 遍 历 当 前 所 有 电 池 单 元 的 SOC 参 数, 求 得 最 大 值 与 最 小 值, 然 后 计 算 最 大 值 减 去 最 小 值, 并 与 最 大 平 衡 差 异 ( 所 允 许 的 最 大 电 池 SOC 差 异 ) 比 较, 如 果 前 者 小 于 后 者, 则 认 为 电 Copyright 2013 Hanspub 63

开 始 设 置 运 行 状 态 为 1 获 取 配 置 到 下 一 周 期 getfromdb () isequalization Required () 软 件 平 衡 getcontrolstr () 平 衡 类 型 硬 件 平 衡 打 印 无 需 平 衡 提 示 设 置 运 行 状 态 为 0 设 置 平 衡 控 制 信 息 结 束 writetopath () Figure 7. The process of EQUALIZATION 图 7. EQUALIZATION 程 序 流 程 池 已 经 达 到 平 衡 状 态, 返 回 false, 表 示 不 需 要 进 行 电 池 平 衡 ; 则 认 为 电 池 尚 未 达 到 平 衡 状 态, 返 回 true, 表 示 仍 需 要 电 池 平 衡 3.3. WEB 管 理 演 示 平 台 的 实 现 3.3.1. 电 池 状 态 页 面 的 实 现 在 电 池 状 态 页 面 当 中, 实 现 了 对 当 前 电 池 状 态 参 数 的 动 态 更 新 显 示 页 面 将 以 1 秒 为 时 间 周 期, 对 页 面 中 的 Open Flash Chart [9] 中 的 数 据 进 行 更 新 此 外, 用 户 可 以 在 电 压, 电 流,SOC, 电 压 和 SOC 几 种 参 数 组 合 中 选 择 一 种 显 示, 如 图 8 所 示 为 了 实 现 该 页 面 的 效 果, 首 先 需 要 通 过 Open Flash Chart 正 确 显 示 电 池 参 数, 其 次 通 过 Ajax [10] 对 图 表 进 行 异 步 刷 新, 最 后 通 过 JavaScript 的 setinterval 方 法 实 现 自 动 异 步 刷 新 本 系 统 统 一 使 用 data.php [11] 4 3.6 3.2 2.8 2.4 2 1.6 1.2 0.8 0.4 0 电 压 SOC 百 分 比 时 间 2010/06/06 23:31:19 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 电 池 ID Figure 8. The page layout of battery status 图 8. 电 池 状 态 页 面 效 果 图 作 为 所 有 图 表 的 数 据 来 源 100 90 80 70 60 50 40 30 20 10 0 3.3.2. 电 池 平 衡 页 面 的 实 现 由 动 态 菜 单 电 池 SOC 参 数 图 表 和 动 态 示 意 图 64 Copyright 2013 Hanspub

[12,13] 组 成, 其 实 现 如 图 9 所 示 3.3.3. 风 储 互 补 页 面 的 实 现 风 储 互 补 页 面 与 电 池 平 衡 页 面 类 似, 由 动 态 菜 单, 动 态 示 意 图, 电 池 SOC 参 数 图 表, 以 及 出 力 负 载 曲 线 图 组 成 其 中, 前 三 部 分 的 实 现 与 电 池 平 衡 页 面 中 的 对 应 部 分 的 实 现 类 似 出 力 负 载 曲 线 图 能 够 根 据 时 间 变 化 不 断 生 长, 系 统 默 认 时 间 间 隔 为 1 秒 ( 代 表 0.24 小 时 ), 图 10 系 统 运 行 到 第 92 秒 时 的 出 力 负 载 曲 线 4. 系 统 实 验 分 析 本 文 提 出 的 储 能 电 池 管 理 系 统 的 设 计 目 的 探 索 将 计 算 机 和 互 联 网 技 术 引 入 电 池 管 理 系 统 的 可 行 性 我 们 将 通 过 实 验 对 系 统 各 模 块 能 实 现 统 一 功 能 进 行 验 证, 并 在 此 基 础 之 上, 通 过 实 验 探 讨 软 件 离 散 化 的 控 制 能 与 模 拟 电 路 连 续 的 控 制 达 到 相 同 的 效 果, 以 及 为 了 达 到 相 同 的 效 果 需 要 将 系 统 控 制 周 期 设 定 在 什 么 范 围 内 4.1. 功 能 验 证 实 验 实 验 的 目 的 在 于 验 证 风 储 互 补 和 电 池 平 衡 两 个 应 用 能 够 按 照 拟 定 的 逻 辑 对 电 池 进 行 控 制 其 中, 对 风 储 互 补 的 验 证 实 验 采 用 的 方 案 : 完 整 运 行 100 秒 的 风 储 互 补 应 用, 采 集 10 个 电 池 单 元 在 每 一 秒 的 SOC 参 数 平 均 值, 绘 制 成 折 线 图, 然 后 与 出 力 负 载 曲 线 进 行 比 较, 考 察 系 统 按 照 出 力 负 载 状 况 成 功 地 对 电 池 进 行 控 制 Figure 9. The page layout of battery balance 图 9. 电 池 平 衡 页 面 效 果 图 Figure 10. Curve: output-load 图 10. 出 力 负 载 曲 线 效 果 图 Copyright 2013 Hanspub 65

对 电 池 平 衡 的 验 证 实 验 采 用 的 方 案 : 预 先 设 定 10 个 电 池 单 元 的 SOC 参 数, 使 各 电 池 的 SOC 参 数 具 有 较 大 差 异 设 定 系 统 控 制 周 期 T u (T e ) 为 200 毫 秒, 最 大 平 衡 差 异 MAX diff 为 1% 然 后 以 软 件 平 衡 的 方 式 运 行 电 池 平 衡 应 用, 记 录 每 一 秒 的 SOC 参 数 的 最 大 值 与 最 小 值 的 差 值, 直 到 系 统 达 到 平 衡 状 态 最 后 将 差 值 和 MAX diff 绘 制 成 折 线 图 进 行 比 较, 考 察 差 值 在 逐 渐 向 MAX diff 靠 近 风 储 互 补 实 验 结 果 如 图 11 所 示 从 图 中 可 以 看 出, 当 出 力 大 于 负 载 时, 电 池 各 单 元 充 电 ; 当 出 力 小 于 负 载 时, 电 池 各 单 元 充 电 放 电 也 就 说 电 池 单 元 的 SOC 参 数 的 平 均 值 随 着 出 力 负 载 状 况 变 化 的, 这 就 说 明 了 WIND 程 序 成 功 地 对 电 池 进 行 了 控 制 有 一 点 值 得 注 意, 在 应 用 开 始 阶 段 和 出 力 曲 线 和 负 载 曲 线 交 汇 的 地 方, 电 池 单 元 平 均 SOC 的 变 化 会 滞 后 3~4 个 周 期, 经 过 分 析, 这 种 滞 后 现 象 的 产 生 并 非 由 于 控 制 命 令 不 能 及 时 产 生 或 及 时 传 达 到 MATLAB 仿 真 模 块, 而 因 为 仿 真 模 块 进 行 充 放 电 转 换 时 需 要 3~4 个 周 期 的 时 间, 而 这 与 真 实 的 储 能 电 池 系 统 的 情 况 一 致 的 电 池 平 衡 实 验 结 果 如 图 12 所 示 电 池 平 衡 的 执 行 过 程 持 续 了 94 个 周 期, 也 就 18.8 秒 从 上 图 可 以 看 出, 电 池 单 元 间 SOC 的 最 大 差 异 从 大 约 20% 逐 渐 向 MAX diff 靠 近, 最 终 成 功 地 达 到 了 平 衡 条 件 该 实 验 说 明 了 当 系 统 控 制 周 期 T u 取 200 毫 秒, 最 大 平 衡 差 异 MAX diff 取 1% 时, 软 件 控 制 的 频 率 符 合 要 求 的 但 最 优 的, 将 在 下 面 探 讨 4.2. 控 制 周 期 实 验 我 们 在 前 面 曾 讨 论 了 控 制 周 期 的 选 取 问 题, 如 果 取 较 小 的 控 制 周 期, 则 会 带 来 更 高 的 控 制 频 率, 控 制 效 果 也 更 好 相 反, 如 果 取 较 大 的 控 制 周 期, 则 会 降 低 对 计 算 机 硬 件 的 要 求, 但 控 制 效 果 将 会 变 差, 甚 至 无 法 及 时 对 系 统 的 变 化 做 出 反 应 为 了 量 化 控 制 效 果, 在 实 验 中 引 入 了 对 照 组 实 现 硬 件 平 衡 所 谓 硬 件 平 衡, 即 在 MATLAB 仿 真 模 块 中 实 现 平 衡 控 制 逻 辑, 这 样, 控 制 频 率 与 MATLAB 的 仿 真 频 率 一 致 的, 因 此 可 以 认 为 硬 件 平 衡 实 时 的 将 在 同 样 初 始 条 件 下 的 硬 件 平 衡 时 间 设 为 t h, 软 件 平 衡 时 间 设 为 t s, 如 果 t s 1.3 t h, 则 认 为 软 件 控 制 的 效 果 可 以 接 受 的 在 实 验 中, 将 从 T u = 200 ms 开 始 进 行 测 试, 然 后 逐 级 增 加 T u, 每 次 记 录 t s, 直 到 t s > 1.3 t h 为 止 测 试 的 结 果 如 图 13 所 示 从 上 面 的 折 线 图 中 可 以 看 出, 硬 件 平 衡 始 终 保 持 稳 定 的 时 间 对 于 软 件 平 衡, 当 T u 1200 ms 时, 软 件 平 衡 所 需 要 的 时 间 与 硬 件 平 衡 时 间 保 持 一 致 而 当 T u 1400 ms 时, 平 衡 所 需 要 的 时 间 剧 烈 增 大, 迅 速 Figure 12. The results of battery balance 图 12. 电 池 平 衡 实 验 结 果 Figure 11. The results of the wind power and energy storage complementarity 图 11. 风 储 互 补 实 验 结 果 Figure 13. The results of control cycle 图 13. 控 制 周 期 测 试 结 果 66 Copyright 2013 Hanspub

破 坏 了 平 衡 效 果 可 以 令 人 接 受 的 条 件 因 此, 对 于 本 系 统 当 前 的 设 定 来 说, 将 系 统 控 制 周 期 设 定 为 1200 毫 秒 综 合 考 虑 控 制 效 果 和 经 济 性 的 最 佳 选 择 补 充 一 组 对 T u = 2000 ms 的 情 况 所 做 的 实 验, 达 到 平 衡 条 件 所 需 要 的 时 间 如 表 4 所 示, 从 中 可 以 看 出, 达 到 平 衡 所 需 要 的 时 间 呈 高 度 的 随 机 性, 甚 至 出 现 了 超 过 200 秒 仍 未 达 到 平 衡 被 手 动 终 止 的 情 况 ( 在 表 中 用 N/A 表 示 ) 取 其 中 第 2 次 的 数 据, 绘 制 成 形 如 图 14 所 示 的 SOC 最 大 差 异 与 MAX diff 的 对 照 图 从 图 14 中 可 以 看 出,SOC 最 大 差 异 始 终 在 MAX diff 上 方 波 动, 直 到 SOC 最 大 差 异 很 幸 运 地 落 入 MAX diff 下 方 才 能 结 束 平 衡 控 制 产 生 这 种 情 况 的 原 因 控 制 周 期 过 长, 在 当 前 周 期 应 当 充 电 的 电 池 单 元 在 下 一 个 周 期 开 始 的 时 候 其 SOC 早 已 超 过 平 均 值 ; 同 理, 在 当 前 周 期 应 当 放 电 的 电 池 单 元 在 下 一 个 周 期 开 始 的 时 候 其 SOC 已 经 大 大 低 于 平 均 值, 所 以 就 造 成 了 图 14 中 的 情 况 解 决 这 个 问 题 的 方 法 减 小 控 制 周 期 或 者 提 高 MAX diff ( 放 松 收 敛 条 件 ) 前 者 需 要 更 高 的 计 算 机 性 能, 后 者 需 要 牺 牲 控 制 的 精 确 度 5. 结 论 本 文 作 为 一 种 将 计 算 机 和 互 联 网 技 术 引 入 传 统 的 基 于 模 拟 电 路 和 微 控 制 器 的 电 池 管 理 系 统 的 探 索 Table 4. The balance time of T u = 2000 ms 表 4. T u = 2000 ms 时 平 衡 所 需 时 间 次 序 1 2 3 4 5 6 7 8 平 衡 时 间 ( 秒 ) 20 74 56 48 N/A 102 N/A 24 Figure 14. The second experiment results of T u = 2000 ms 图 14. T u = 2000 ms 第 2 次 实 验 数 据 和 尝 试, 提 出 了 储 能 管 理 系 统 演 示 与 仿 真 平 台 在 分 析 现 有 电 池 管 理 系 统 的 共 性 的 不 足 和 限 制 基 础 之 上, 结 合 储 能 系 统 的 具 体 需 求, 提 出 了 由 计 算 机 对 电 池 单 元 进 行 细 粒 度 的 监 视 与 控 制 的 电 池 管 理 系 统, 并 将 给 予 web 的 管 理 演 示 平 台 引 入 到 系 统 的 设 计 中, 提 高 了 使 用 系 统 的 方 便 性 利 用 MATLAB 仿 真 工 具 Simulink 的 模 型 库, 设 计 并 实 现 了 具 有 统 一 输 入 和 输 出 端 口 的 电 池 储 能 系 统 仿 真 模 块, 能 够 实 时 地 输 出 电 池 单 元 的 电 压 电 流 SOC 参 数, 并 能 根 据 输 入 对 电 池 单 元 进 行 独 立 的 充 放 电 控 制 实 现 了 风 储 互 补 和 电 池 平 衡 两 个 主 要 应 用 的 仿 真 与 演 示, 系 统 各 模 块 能 协 调 统 一 地 实 现 系 统 整 体 的 功 能 最 后 通 过 实 验 验 证 了 系 统 控 制 逻 辑 的 正 确 性 和 可 用 性 在 此 基 础 上, 探 讨 了 计 算 机 控 制 系 统 中 如 何 设 计 控 制 周 期 的 问 题, 通 过 设 计 实 验 成 功 获 得 了 本 系 统 的 最 佳 控 制 周 期 未 来 将 进 一 步 研 究 如 何 将 计 算 与 物 理 过 程 更 加 紧 密 地 结 合 在 一 起, 以 提 高 物 理 系 统 的 安 全 与 性 能, 解 决 传 统 物 理 系 统 在 应 用 上 的 一 些 障 碍 参 考 文 献 (References) [1] 陈 树 勇, 宋 书 芳, 李 兰 欣 等. 智 能 电 网 技 术 综 述 [J]. 电 网 技 术, 2009, 33(8): 1-7. [2] 互 动 百 科. 计 算 机 控 制 系 统 [URL]. http://www.hudong.com/wiki/ 计 算 机 控 制 系 统 [3] Y. Tan, S. Goddard and L. C. Pérez. A prototype architecture for cyber-physical systems. ACM SIGBED Review, 2008, 5(1): 1-2. [4] E. A. Lee. Cyber-physical systems Are computing foundations adequate? In: Position Paper for NSF Workshop on Cyber- Physical Systems: Research Motivation, Techniques and Roadmap, 16-17 October 2006, Austin: 9. [5] 何 积 丰. Cyber-physical systems [J]. 中 国 计 算 机 学 会 通 讯, 2010, 6(1): 25-29. [6] 张 文 亮, 丘 明, 来 小 康. 储 能 技 术 在 电 力 系 统 中 的 应 用 [J]. 电 网 技 术, 2008, 32(7): 1-9. [7] 吴 东 兴. 电 池 管 理 系 统 的 设 计 与 实 现 [D]. 湖 南 大 学, 2006. [8] S. B. Lippman, J. Lajoie, E. MooBarbara, 著, 李 师 贤, 蒋 爱 军, 梅 晓 勇, 林 瑛, 译. C++ Primer ( 第 4 版 )[M]. 北 京 : 人 民 邮 电 出 版 社, 2006. [9] Open flash chart [URL]. http://teethgrinder.co.uk/open-flash-chart/ [10] J. J. Garrett. Ajax: A new approach to web applications [URL], 2005. http://www.adaptivepath.com/ideas/essays/archives/000385.php [11] M. Achour, F. Betz, et al. PHP manual [URL], 2013. http://php.net/manual/en/index.php [12] Available BMS systems [URL]. http://sourceforge.net/apps/mediawiki/tumanako/index.php?title =EVD5_BMS [13] CellBalanceVisualizer [URL]. http://liionbms.com/balance/index.html Copyright 2013 Hanspub 67