當前，電力峰谷差的平抑、電網的安全可靠性和電能質量、可再生能源的開發以及智能電網技術的發展都對大規模儲能技術提出了較高的要求，在眾多的儲能技術中，鈉硫電池以其優越的性能，備受各國研發人員的關注。鈉硫電池的研發主要包括電池制造技術和電池管理技術的研發，這兩大技術也正是鈉硫電池實際應用中的最大技術瓶頸。

在鈉硫電池的管理技術中，單體電壓的檢測是不可或缺的一部分，其對整個電池模塊的安全和穩定運行有著十分重要的影響。根據所檢測的單體電壓，進行均衡管理和告警分析，其中單體電壓告警通常采用兩級梯度：報警和閉鎖（或者稱為切斷），一般包括：單體過壓報警、單體過壓閉鎖、單體欠壓報警、單體欠壓閉鎖、單體電壓負變化率報警、單體電壓負變化率閉鎖，有些還會增加單體電壓不均衡報警和閉鎖。鈉硫電池模塊通常包含很多個單體電池，比如5kW的電池模塊包含單體電池48只，正因為單體的數目較多，所以尋求一種切實可行的檢測方案具有重要意義。

單體電壓的檢測方法有很多，常用的測量方法有共模測量法和開關切換法。共模測量法即相對同一參考點，用精密電阻等比例衰減各測量點的電壓，然后依次相減得到各單體的電壓，該方法電路比較簡單，缺點是存在累積誤差，從而使測量精度降低。參考文獻中采用了開關切換法，但該方案中每個單體都配有兩個開關，從而增加了系統的成本、體積和功耗，本文在此基礎上，運用一種改進的方案來實現對單體電壓的檢測，該方案可以有效減少開關的數目以及整個檢測系統的體積。

1單體電壓巡檢系統設計

本文的研究對象是包含48個單體的鈉硫電池模塊，測量時將48個單體分成4組：第一組為編號01~12的單體，第二組為編號13~24的單體，第三組為編號25~36的單體，第四組為編號37~48的單體。對這4組進行并行測量，即第一輪測量編號為01、13、25、37的單體，第二輪測量編號為02、14、26、38的單體，依此類推，第十二輪測量編號為12、24、36、48的單體，至此整個電池模塊的所有單體電壓檢測完畢。

以第一組測量為例，測量原理圖如圖1所示，其中IN+、IN-經過信號調理電路接到A/D芯片。當測量編號為1的單體cell1時，開關S1、S2、O1、O2閉合，cell1的正端接到IN+、負端接到IN-。當測量編號為2的單體cell2時，開關S2、S3、E1、E2閉合，cell2的正端接到IN+、負端接到IN-，被測量單體與需要閉合的開關之間的關系如表1所示，不難發現，測量奇數編號的單體時，開關O1、O2閉合，測量偶數編號的單體時，開關E1、E2閉合，因此，為了減少開關O1、O2、E1、E2的動作次數和因開關頻繁動作引起的損耗、提高電壓巡檢的效率，將奇數編號的單體與偶數編號的單體分開測量，即先測量奇數編號的單體，然后再檢測偶數編號的單體。

在器件選型方面，遵循滿足系統需求并且有一定升級余量的原則，采用TMS320F28335作為電池模塊管理單元（BMU）的主控制器，現場可編程門陣列（FpGA）Ep2C8Q208C8N用來作為BMU的輔助控制器，這樣一來，既可以利用TMS320F28335的現成接口，比如SpI接口、CAN接口等，又避免了大量分立邏輯器件的運用，使電路的體積小、功耗也小。

圖1中的開關采用松下photoMOS型光耦繼電器AQW214EH.利用TMS320F28335的五個GpIO口來控制Ep2C8Q208C8N輸出17路控制信號，分別控制圖1中的17個開關。

一個AQW214EH可以作為2個開關，圖2為開關S1、S2的具體實現，其余開關的實現原理完全一樣，圖2中，cell1+表示接到圖1中cell1的正極，cell2+表示接到圖1中cell2的正極，S1、S2分別接到FpGA的相應IO口，當FpGA的IO口輸出低電平時，相應的開關閉合，反之，則開關斷開。

以上部分以第一組為例講述了其測量原理，其余三組的實現原理和第一組完全一樣，這四組公用Ep2C8Q208C8N輸出的17路控制信號，這樣才能保證每一輪測量都能檢測到這四組中對應編號的單體。將四組的輸出信號經過信號調理電路，分別送入A/D芯片，本設計采用的A/D芯片為16位精度、最大采樣速率為100KSpS的ADS8325，其串行SpI輸出經過光耦隔離后與TMS320F28335的SpI接口相連，由于SpI時鐘頻率可以達到MHz級，因此從ADS8325讀出數據耗時基本可以忽略不計，每一輪采樣時間將非常短。

不難發現，對于包含48個單體的鈉硫電池模塊而言，如果采用為每個單體分配2個開關的方案，就需要96個開關，即需要48片AQW214EH，本文的方案對于每一組需要17個開關，四組一共68個開關，即34片AQW214EH，這必將大大減小電路的體積和成本。

2單體電壓巡檢系統的軟件仿真及測試

輔助控制器Ep2C8Q208C8N根據主控制器的控制信號來輸出17路信號來控制17個開關，其輸入信號為en、oe、a、b、c，分別對應主控制器的5個控制信號，其中en為使能信號，高電平有效，oe為奇、偶控制端，當oe為0時，對奇數編號的單體進行測量，當oe為1時，對偶數編號的單體進行測量，無論對于奇數編號還是偶數編號檢測，都有6個電池需要檢測，為此需要6個狀態，這6個狀態就是通過信號a、b、c來控制的，輸出信號為S1、S2、…、S13、O1、O2、E1、E2，這17個控制信號分別與圖1中的17個開關對應，當輸出為低電平時，開關閉合，當輸出為高電平時，開關斷開。

在QuartusⅡ9.1中，采用VerilogHDL語言對輔助控制器進行編程，程序設計時，應選擇合理的編碼方式，常用的編碼方式有：順序編碼（也稱為二進制編碼）、格雷碼和獨熱碼，對于小型數字系統設計使用順序編碼和格雷碼更有效。就順序編碼而言，有時會有多個位同時發生變化，比如從011變到100時，二進制的每一位都發生變化，然而在電路中要保證多位完全同步是不太可能的，一旦不同步，便會產生錯誤的邏輯，而相鄰的格雷碼之間僅有一位不同，這大大減少了由一個狀態轉換到下一個狀態時電路中的邏輯混淆，提高了電路的抗干擾能力，也減少了電路中的電噪聲，從而比順序編碼更加可靠，因此，本文采用格雷碼進行編程。

對編寫好的程序進行編譯和仿真，仿真結果如圖3所示，觀察a、b、c的波形，可以發現每次變化時，三位中只有一位發生改變，這就是前面所說的格雷碼，當oe為低電平時，奇數編號單體兩端的開關控制信號為低電平，從而對實現對奇數編號的單體進行檢測，當oe為高電平時，偶數編號單體兩端的開關控制信號為低電平，從而完成對偶數編號的單體進行檢測。仿真的波形結果與之前的分析完全吻合。

為了驗證本設計的可行性，對編號為01~48的單體進行巡檢，并將測試結果上傳給監控平臺，監控平臺的顯示結果如圖4所示，經常長時間測試，發現所設計的系統能夠準確地檢測編號為01~48的單體電壓值，不會產生任何錯誤的邏輯。

3結語

本文運用一種改進的開關切換法來實現對鈉硫電池模塊單體電壓的巡檢，較為每個單體分配2個開關的方案，能大大減小開關的數目，從而減小了系統的成本、體積，軟件設計時分別對奇數編號的單體和偶數編號的單體進行測量，從而減小開關的動作次數，降低由此引起的開關損耗，仿真和測試結果均表明該方案切實、可行。