王 琦，韩天兴，贾 伟，李林高

（1.山西大学 自动化系，太原030013；2.山西平朔煤矸石发电有限责任公司，朔州036800）

随着储能技术的发展，储能电池组的容量不断提高，为了合理利用空间电池组会密集布置，但是在充放电过程中热量的积聚，会导致储能电池箱内温度变化明显，因此合适的电池温度环境对电池安全稳定工作至关重要[1]。为了满足储能电池对环境温度的要求，储能电池箱温度控制系统的研究也应运而生。储能电池最佳工作温度为15 ℃～25 ℃，当环境温度下降时，电池放电电压也会大幅度下降，电池反应速率降低，输出功率也会下降；而当温度上升时，输出功率虽然会上升，但若是超过温度上限后，随着温度的继续升高，储能电池内部化学平衡遭到破坏，长期这样下去电池性能退化，循环寿命会缩短[2]，还有可能因电池的热失控问题而导致燃烧、爆炸等危险事故，因此储能电池箱温度控制系统对于维持电池的使用寿命和输出稳定的功率至关重要。

1 系统总体方案

储能电池箱温度控制系统的被控量为箱内温度和湿度，通过控制空调、天/侧窗、散热器等执行机构来达到控制目的。本文储能电池箱温度自动控制系统的核心控制器件选择用PIC16F877A 单片机，因其具有哈佛总线结构、精简指令集（RISC）技术、功耗低且价格低廉等优点[3]，具有很全面的功能，应用范围也广泛。控制系统总体结构框图如图1所示。

图1 系统结构框图Fig.1 Structure diagram of system

本系统的硬件电路主要包括温、湿度数据采集电路、输出控制电路、报警电路、人机接口电路以及通讯接口电路等。温、湿度数据的采集是将储能电池箱内的温度、湿度等生态因子参数通过温度、湿度传感器转换为电信号，将此可识别的电信号通过调理电路送入以单片机PIC16F877A 为核心的控制器。将输入的信号和温度设定值进行对比，当箱内所测值超出设定值时，触发启动条件，执行机构针对温度变化进行相应的控制同时系统警报能够及时引起运行人员重视。PIC16F877A 控制器能够独立完成对储能电池温度的控制以及与上位机之间相互进行通信（包括可以接收指令同时又将采集的参数实时传输回去）。

本储能电池箱温度控制系统使用模糊控制算法对执行机构进行控制。可根据储能电池箱内的温度、湿度等生态因子的变化，根据现场工程人员长期的操作经验和专家的工程经验知识可以预先设定模糊规则，实现对空调、天/侧窗、散热器等控温设备的自动控制，调控储能电池箱内气候环境，为电池安全稳定工作提供适宜环境。

2 硬件系统设计

2.1 温度采集电路

本储能电池箱温度控制系统采用单线数字温度传感器DS18B20，其具有体积小、耗能小、精度高、性能好等特性，除此之外该型号还具有传感器单线接口，没有外围元件，可以由总线提供电源等特性[4]。DS18B20 将温度参数直接转化成电信号处理，不需要专门的A/D 转换电路，很容易与单片机连接。温度采集电路如图2所示，从图中可以看到DS18B20 与PIC16F877A 单片机之间的连接方法是：

（1）Vcc 引脚接外部+5 V 电源；

（2）GND 引脚要接地；

（3）I/O 引脚与PIC16F877A 的I/O 线连接。

图2 DS18B20 温度采集电路Fig.2 Gathering circuit of temperature

在DS18B20 进行温度A/D 转换操作以及写存储器操作时，为了降低功耗，总线上必须有一个上拉电阻，上拉开启时间不能超过10 μs，所以要在I/O口线处接一个数值为4.7 kΩ 的上拉电阻。

2.2 空气湿度采集电路

本储能电池箱温度控制系统使用的湿度传感器是Honeywell 公司生产的带有热固聚酯电容式传感头的HIH-3610 集成湿度传感器。该湿度传感器在内部集成了信号处理功能电路，因此其输出的线性电压是由相对湿度值变为电容值转换而出的，同时还可以和A/D 转换器直接连接进行数字化处理，不需要经过外部信号的调理，其具有反应快、精度高、互换性好、价格低以及抗腐蚀性能好等优点特性[5]。湿度测量电路如图3所示，是将单片机的模拟量输入端口与湿度传感器HIH-3610 的电压输出端相连，通过PIC16F877A 内部的A/D 单元实现模拟量/数字量的转换，不需要通过使用外部A/D 转换。

图3 HIH-3610 湿度采集电路Fig.3 Gathering circuit of humidity

而在我们实际生活当中，随着环境温度的升高空气中含的水份就越大，也就是说，水蒸气含量相同的情况下温度升高其相对湿度就会降低，因此在提供相对湿度的同时也必须提供温度的数据。

3 软件系统设计

本储能电池箱温度控制系统软件设计方法采用了模块化，将控制器所要具备的功能分别进行程序编写并各自调试运行，等所有的模块成功实现既定功能后，再将各个功能模块按照逻辑顺序连接起来，组成本温度控制的单片机软件系统，这种进行细化功能模块的设计有利于代码的更改与优化，便于调试程序、维护系统以及扩增新功能。

3.1 系统主程序

储能电池箱温度控制系统在上电或者复位后，开始进入系统的主程序，主程序首先进行系统初始化，完成后进入下一步，调用温度采集子程序来采集温度相关数据、湿度采集子程序来采集湿度相关数据，之后依次进行模糊算法处理、与上位机通信等功能，当发生一些情况时需中断进行，此时要用到中断程序来负责处理此类中断事件，因此主系统需要立即执行中断程序，待处理完毕后程序自动回到中断发生前一时刻的状态，顺着流程主程序继续往下执行[6]。在储能电池箱温度控制系统中主程序主要负责整个流程的任务调度，而子程序就是实现系统各个子功能，系统的主程序流程如图4所示。

图4 温度控制系统主程序流程Fig.4 Temperature control system main program flow chart

3.2 温度采集子程序

温度数据采集子程序模块，主要进行的操作有对温度传感器DS18B20 直接读取其温度参数数据，将其转化为电信号进行数据处理并存储在单片机中。中央处理器CPU 对它的访问流程是：

（1）对传感器DS18B20 进行初始化操作（发复位脉冲）；

（2）发送ROM 功能命令；

（3）发存储器操作命令；

（4）处理数据。

在程序设计时特别要注意的是每一步操作之间的延时时间。但是因为传感器DS18B20 的单线通信功能是分时完成的，需要遵循严格的时隙概念，因此能够读懂时序图和会写时序都是很重要的。温度采集时传感器DS18B20 的通信协议流程如图5所示。

4 结语

本文设计的储能电池箱温度控制系统能够完成特定范围内温度、湿度的有效实时监控，可以预先设定温度在其上、下限范围内有效的实时温度的自动控制，温度超出设定范围时，可触发报警，及时提醒运行工作人员。此外本储能电池箱温度控制系统还具有如下优越性：①该系统结构简单，储能电池箱能够自主调节温度，确保了储能电池的安全稳定运行；②该系统能将实时状态就地及在上位机上同时显示；③具有较强的通用性，程序和硬件稍加改动，还可应用于其他温控场合。

图5 DS18B20 通信协议Fig.5 DS18B20 communication protocol