光伏儲能實驗測量系統(tǒng)構建

齊文娟， 武夢涵， 梁永坤， 毛彥永

（上海交通大學電子信息與電氣工程學院，上海 200240）

0 引 言

在新能源發(fā)電系統(tǒng)中儲能電池占有重要地位，目前儲能電池以鋰離子電池為主。隨著設備智能化程度的提高和鋰離子電池的廣泛使用，對鋰離子電池性能的要求也越來越高。鋰離子電池的不足之處在于充電及使用要求比較苛刻，充電過流、過壓以及放電短路、過放及過熱等都會嚴重影響電池的壽命、性能和安全。為了提高電池的使用率、全面掌握電池的狀態(tài)，需要實時監(jiān)測電池的電壓、剩余電量、估計供電時間、溫度等諸多信息，根據(jù)這些信息決定控制策略，從而提高系統(tǒng)運行可靠性［1］。在所有電池參數(shù)中，電池的剩余電量最難測量，它與電池的放電電流、溫度以及電池充放電循環(huán)次數(shù)等參數(shù)有直接關系。

在科研和工業(yè)領域中，很多學者研究了鋰離子電池的安全監(jiān)測［2-3］、電池荷電狀態(tài)估計［4-9］和熱失控［10］等內容，涉及設計規(guī)模和目標、數(shù)據(jù)采集方法、成本和維護等方面，與教學實驗平臺存在較大差異。目前，鮮有將測量、監(jiān)測和電池管理方法應用于實驗教學和實驗平臺開發(fā)方面的研究［11-12］。

構建的基于光伏儲能的實驗測量系統(tǒng)以鋰離子電池為測量對象，可實現(xiàn)鋰離子電池充電和放電、鋰離子電池充放電過程監(jiān)測和特性測量、電量估計和顯示等功能。首先介紹了系統(tǒng)硬件、軟件結構和實現(xiàn)方法，然后給出了鋰離子電池電量估計方法，最后給出了實驗平臺硬件和部分測試結果。

1 硬件設計與實現(xiàn)

1.1 硬件總體結構

系統(tǒng)包括光伏電池、單節(jié)鋰離子電池、單片機及外圍電路、測量和顯示電路等部分。以STC89C52 芯片為主控芯片、ADC0832 芯片為模數(shù)轉換芯片，使用霍爾電流傳感器ACS712 測量電流，采用CD4051 芯片選擇測量通道，對電池充放電電流和電壓進行采集。采用單片機對數(shù)據(jù)進行實時處理，最終顯示在LCD1602液晶屏上。系統(tǒng)功能框圖如圖1 所示。

圖1 系統(tǒng)功能框圖

1.2 系統(tǒng)功能和工作原理

1.2.1 充電管理

鋰離子電池充電分為2 種模式：模式1，穩(wěn)壓電源充電模式；模式2，太陽能電池充電模式。模式1 采用穩(wěn)壓電源給鋰離子電池充電，設計過充保護電路。當充電電壓超過設置值（如4.5 V）或者充電電流超過設置值（如1.0 A）時，繼電器斷開充電電路，同時蜂鳴器鳴響、指示紅燈點亮。當電量即將充滿時，通過電量估計程序判斷充電狀態(tài)是否完成，若完成則繼電器切斷充電，同時蜂鳴器鳴響、指示白燈點亮。

模式2 采用太陽能電池板，通過充電管理模塊TP4056 為單節(jié)18650 鋰離子電池充電，實現(xiàn)電池所需的不同階段恒流充電和恒壓充電功能，充電保護和指示與模式1 相同。2 種模式通過跳帽實現(xiàn)功能切換。

1.2.2 放電管理

將電阻或LED燈作為負載，采用跳帽實現(xiàn)充放電切換。設置了保護電路，當放電電壓或電流超過給定限值（如電壓3.6 V 或者電流1.0 A）時，繼電器斷開外部負載，同時蜂鳴器鳴響、指示紅燈點亮，以保護電池不過放。電量過低或者電壓過低時指示紅燈點亮、蜂鳴器鳴響。

1.2.3 充放電特性測量

鋰離子電池充放電過程中采樣電路可根據(jù)設定的要求和頻率進行電壓和電流的采樣，實現(xiàn)鋰離子電池充放電特性的自動測量。用跳帽實現(xiàn)充放電切換，通過電流數(shù)值正負判斷電流流向，進而判斷電池處于充電狀態(tài)還是放電狀態(tài)。

1.2.4 電量估計

通過電壓、電流采樣，單片機根據(jù)設定的算法進行電量計算，然后通過液晶屏進行電量顯示以及低電量和電量充滿提醒。

1.2.5 過熱保護

采用負溫度系數(shù)薄膜熱敏電阻進行電池溫度的實時測量。測量系統(tǒng)中熱敏電阻與固定阻值電阻（如10 kΩ）串聯(lián)分壓，將測量所得的熱敏電阻分壓采樣之后輸入單片機，再根據(jù)熱敏電阻的溫度-阻值特性得到溫度值，然后進行液晶顯示。通過對熱敏電阻的溫度特性進行擬合，可以實現(xiàn)較為精確的溫度測量。當測量得到的電池溫度高于設定值如42 ℃時，斷開放電或充電電路，同時指示藍燈點亮、蜂鳴器鳴響。

2 軟件設計與實現(xiàn)

2.1 系統(tǒng)測量軟件部分

系統(tǒng)測量軟件部分主要包括電壓測量程序、電流測量程序、溫度測量程序和電量測量程序。其中，電壓、電流和溫度測量相對簡單，通過讀取模數(shù)轉換器的數(shù)據(jù)并進行換算即可得到對應的數(shù)值，取平均后實時顯示。電量測量程序較為復雜，下面給出詳細介紹。

2.2 電量估計原理

2.2.1 電池SOC定義

電池SOC 指電池的荷電狀態(tài)。電池SOC 估計是電池管理系統(tǒng)中的一項關鍵技術，而電池SOC 無法直接測量，只能通過電壓、電流、溫度等參數(shù)間接估算［13］。美國先進電池聯(lián)合會（USABC）在《電動汽車試驗手冊》中將電池SOC 定義為：電池在一定放電倍率下，剩余電量和該條件下額定電量的比值［14］。電池SOC計算式為

其中：QC為電池剩余電量；QI為電池額定電量。SOC常用測量方法有開路電壓法和安時積分法。

2.2.2 開路電壓法

鋰離子電池開路電壓（OCV）可以體現(xiàn)電池當前狀態(tài)的放電能力，根據(jù)開路電壓-SSOC關系曲線估計SOC的方法稱為開路電壓法。

由于鋰離子電池的開路電壓與SSOC之間存在映射關系，因此可以通過測量當前的開路電壓值從而得到電池當前的SSOC值。本實驗系統(tǒng)中，對所使用的鋰離子電池進行放電測試，得到的放電曲線如圖2 所示。

圖2 測試所得放電曲線

2.2.3 安時積分法

安時積分法又稱為電流積分法，即在一段時間內通過電流對時間的積分計算出這段時間內消耗的電荷量，計算式為

其中：SSOCO為初始電池SOC值；η為庫侖效率；I（t）為t時刻的電流。

安時積分法較為簡便，但會出現(xiàn)較大估算誤差。在實際應用過程中，通常對安時積分法中的電流和溫度進行反饋修正，再結合開路電壓法加以估算，從而提高SSOC的估算精度［15］。

2.3 電量估計算法和實現(xiàn)

為了充分考慮鋰離子電池電量估計中各種因素的影響，結合實驗數(shù)據(jù)，設計了一套邏輯來分配2 種算法的任務以及權重，從而讓2 種算法充分發(fā)揮優(yōu)勢，使得SSOC估計值更貼近實際值。圖3 為電量估計算法流程圖，圖4 為電量測量程序。

圖3 電量估計算法流程

圖4 電量測量程序

開機時讀取歷史保存值Ssave，并開始計算。在進行充放電時，以安時積分法為主、開路電壓法為輔進行電量估算，以加權的形式計算出最后結果。

在充放電結束后，首先出現(xiàn)一個由電池內阻帶來的電壓回升或降落；隨后，電池內部化學反應逐漸停止，電池結構趨于穩(wěn)定，電池內極化電容逐漸放電完畢，電壓進一步回升或降落。因此，可以在此時通過開路電壓對之前計算出的電量進行修正。

放電接近結束時，電壓出現(xiàn)急劇下降，這是因為在放電結束時負極反應物的濃度降低，嵌入正極結構中的鋰離子增加［16］。此時以負載電壓為主要影響因素進行SOC估計，能更好地反映電池狀態(tài)。

鋰離子電池在對負載供電時，由于電池內阻的影響，負載電壓會對鋰離子電池電壓測量產生影響，因此在進行精確測量時需要對負載特性進行估計，并將其影響考慮在內。

3 實驗平臺實現(xiàn)與測試

3.1 實驗平臺硬件實現(xiàn)

采用面包板搭建硬件電路，便于快速調試和系統(tǒng)功能驗證。搭建的電路如圖5 所示。功能調試通過后進行印制電路板的制作與焊接、軟件燒錄和系統(tǒng)調試。圖6 為實驗系統(tǒng)的印制電路板電路實物。

圖5 面包板搭建的電路

圖6 實驗系統(tǒng)的印制電路板電路實物

3.2 實驗測試

3.2.1 放電測試

使用LED燈進行常規(guī)放電測試和過流放電測試，放電測試功能正常。圖7 和圖8 分別為三燈和兩燈并聯(lián)時的放電實驗照片。

圖7 三燈并聯(lián)放電

圖8 兩燈并聯(lián)放電

3.2.2 充電測試

采用穩(wěn)壓電源為電池充電。充電電流與放電電流反向，電流采樣芯片輸送電流數(shù)據(jù)到單片機，由單片機判定為充電狀態(tài)。隨后，進行恒流充電及充電電流過充測試，系統(tǒng)充電功能正常。圖9 和圖10 為0.4 A和0.3 A恒流條件下為鋰離子電池充電時實驗照片。

圖9 0.4 A恒流充電

圖10 0.3 A恒流充電

系統(tǒng)還可使用太陽能電池板進行充電，太陽能電池板最大功率為3.5 W，最佳輸出電流為0.58 A，最佳輸出電壓為6 V。圖11 為系統(tǒng)使用光伏電池充電時的實驗照片。光伏電池充電模式下系統(tǒng)功能符合要求。

圖11 光伏電池充電時的實驗照片

4 結 語

搭建了應用于電氣工程專業(yè)實驗教學的光伏儲能實驗測量系統(tǒng)，該系統(tǒng)可進行鋰離子電池充放電管理、特性測量、電量估計和過熱保護，集成了電壓、電流、溫度、電量四大測量功能。將安時積分法與開路電壓法相結合，從電流、電壓以及負載特性3 個不同的角度多維度地觀測鋰離子電池的電量變化。充分考慮了鋰離子電池充放電過程中多種因素的影響，通過加權算法以及低電壓修正、放電結束修正、充電結束修正等多種修正算法，實現(xiàn)了對鋰離子電池更為精確的電量估計。