獨(dú)立光伏系統(tǒng)中鋰電池管理的研究

劉 星 邢長達(dá)

（安徽理工大學(xué)，安徽 淮南 232000）

0 引言

隨著世紀(jì)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展以及科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，人類對能源的需求與日俱增。太陽能作為一種新型、綠色環(huán)保、廉價的能源受到越來越多的關(guān)注，對太陽能的開發(fā)利用也成了新世紀(jì)的熱門話題，然而對太陽能的儲存也受到了巨大的關(guān)注，太陽能儲能是將太陽能轉(zhuǎn)換為電能儲存于太陽能儲能電池中。儲能電池的種類繁多，但使用方法和控制策略基本相似。其中，鋰電池是一種新型的二次電池，具有端電壓高、比能量大、充放電壽命長、放電性能穩(wěn)定、自放電率低、無污染等特點(diǎn)，已經(jīng)成為國內(nèi)外電池發(fā)展的主流，因此，對獨(dú)立光伏系統(tǒng)中鋰電池的管理研究是一個重大工作，意義也是巨大的。

鋰電池作為一種新型的二次電池，在使用過程中要嚴(yán)格避免出現(xiàn)過沖，過放，過流等現(xiàn)象，鋰電池還必須考慮充放電時的安全性，因此在光伏系統(tǒng)鋰電池充放電控制裝置中要對鋰電池進(jìn)行保護(hù)，以延長鋰電池的使用壽命，鋰電池充放電的基本控制構(gòu)想如圖1所示：

1 硬件設(shè)計(jì)

1.1 充電裝置-恒流恒壓充電

鋰電池的充電過程一般包括預(yù)充電、恒流充電(CC)和恒壓充電(CV)三個過程。預(yù)充電是指當(dāng)電池電壓低于芯片設(shè)定的預(yù)充電閾值時，充電器以小電流對電池進(jìn)行涓流充電。當(dāng)電池電壓上升到預(yù)充電閾值以上時，以大電流對電池進(jìn)行恒流充電；當(dāng)電池電壓接近浮充電壓閾值(4.2V)，充電器逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)楹銐耗Ｊ匠潆姡潆婋娏髦饾u減小；當(dāng)電流減小到終止電流k時，充電過程結(jié)束。

本設(shè)計(jì)采用MOS管取代二極管并同時引入負(fù)反饋的方式，保證在過渡區(qū)時只有一個低頻極點(diǎn)，優(yōu)化了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

本設(shè)計(jì)的恒流恒壓控制電路如圖2所示，它主要包括三個放大器：電流放大器(CA)，電壓放大器(VA)，匹配放大器(MA)；兩個主控制環(huán)：其中 CA、M1、M3、Rprog構(gòu)成電流控制環(huán)(CA 環(huán))；VA、M4、M2、R1和R2構(gòu)成電壓控制環(huán)(VA 環(huán))；充電電流檢測電路：M1、MA、M3、Rprog。圖 2中，M4采用開漏輸出連接方式，它和VA一起構(gòu)成跨導(dǎo)放大器。

1.1.1 恒流充電

當(dāng)電池電壓較低時，VA輸出高電平，M4截止，G點(diǎn)電壓完全由放大器CA決定。此時，有Vb=Vprog，則流過Rprog的電流為Iprog=Vb/Rprog，所以，M2將給電池提供大小為1000Vb/Rprog的恒定充電電流。當(dāng)電池電壓低于3.00V時，Vb的電壓為0.1V，充電電流為0.1C(C=充放電電流(mA)／電池容量(mAh))；電池電壓高于3.00V而低于4.15 V時,Vb的電壓為1V，充電電流為lC。

1.1.2 恒壓充電

當(dāng)VA的負(fù)輸入端電壓接近基準(zhǔn)電壓Vref，時，VA輸出端電壓下降，M4 導(dǎo)通，此時，VA、M4、M2、R1和 R2構(gòu)成一個 LDO 穩(wěn)壓器，輸出電壓為

此時，Vbat端以恒定的電壓4.2V向電池充電，充電電流逐漸減小；當(dāng)電流減小到IEnd時，邏輯控制電路自動將充電器關(guān)閉。

1.2 鋰電池限壓限流放電

鋰電池實(shí)際放出的電量與放電電流有關(guān)，放電電流越大，鋰電池的效率越低，應(yīng)避免大電流放電，提高鋰電池的效率。隨著放電的進(jìn)行，鋰電池的電壓必然要降低，如不加電壓電流采樣電路，則放電電流也會隨著電壓的降低而降低。因此要在放電回路進(jìn)行電流電壓采樣，通過采樣的電壓電流反饋，及時操作，停止放電。放電時除了電壓的采樣，還要對鋰電池放電時鋰電池的放電電流進(jìn)行采樣，用于限制鋰電池組的過放，電流采樣電路如圖3所示。

對采樣電阻RL兩端的電壓進(jìn)行采樣，并使用差分式運(yùn)算放大器放大輸出到MCU的A/D采樣端，從而得到主電路中的電流值。由于信號需要精確采樣，并且與電源隔離，因此使用線性光耦HCNR200，如圖3所示。另外，單片機(jī)及周邊電路的用電可直接通過鋰電池隔離變壓得到，系統(tǒng)無須外部電源供電，十分方便。

1.3 鋰電池的電量檢測裝置

鋰電池組采用8節(jié)鋰電池串聯(lián)連接，根據(jù)電池管理系統(tǒng)的技術(shù)和功能要求如下：

（1）采集 8個單體電池電壓，精度為 0.05V；

（2）充放電檢測控制，電流檢測精度：0.01A；

（3）單體電壓過高（＞4.15V） 、單體電壓過低（＜3.00V）。

由于系統(tǒng)由8節(jié)鋰電池串聯(lián)組成，如果直接測量8節(jié)鋰電池的電壓，運(yùn)放的輸入電壓將高達(dá)三十幾伏，這已超出絕大多數(shù)運(yùn)放的工作范圍。針對目前應(yīng)用比較廣泛的8串鋰電池組，本文通過采用一種新電壓測量電路，大大減小了測量電路點(diǎn)的體積和成本。

八節(jié)串聯(lián)鋰電池中的BT1電池測量方法如圖4所示，在此，由于篇幅和測量方法大同小異等原因，僅用BT1的測量方法和開關(guān)的選擇來類推BT2、BT3等其他七節(jié)鋰電池電量的方法和開關(guān)的選擇，以及電池充放電所要選擇的開關(guān)。

測量鋰電池BT1的電量時，閉合開關(guān)S0、S7、S8、S18、S19五個開關(guān)，此時VBT1+的電位便是鋰電池VBT1的正極電位，VBT1-的電位便是鋰電池VBT1的負(fù)極電位，因此鋰電池BT1的電壓為：

VBT1=VBT1+-VBT1-

這樣就完成了測量鋰電池BT1的電量，其余七節(jié)鋰電池的測量方法與此大致相同，再次不再贅述。

當(dāng)鋰電池BT1需要充電時，閉合開關(guān)S0，開關(guān)S20閉合至低電平母線，開關(guān)S21閉合至高電平母線上，此時鋰電池BT1的正極所接電位高于負(fù)極所接電位，鋰電池BT1充電，鋰電池BT1放電時的開關(guān)選擇和充電時的開關(guān)選擇是相同的。

電池組的連接方式可以將八節(jié)鋰電池串聯(lián)在一起同時充電，也可單獨(dú)對于某一節(jié)電池進(jìn)行充電，根據(jù)需要選擇閉合不同的開關(guān)，選擇對幾節(jié)鋰電池進(jìn)行充放電，這樣可以通過反饋的鋰電池電量進(jìn)行選擇，保障八節(jié)鋰電池均衡充電。在放電過程中，若某一節(jié)鋰電池出現(xiàn)過放現(xiàn)象時，系統(tǒng)將自動斷開相應(yīng)的控制開關(guān)，停止該電池的放電過程，這樣的設(shè)計(jì)方法又防止了電池的過沖與過放現(xiàn)象，延長鋰電池的實(shí)用壽命，以節(jié)約成本。

光電繼電器（RELAYn）選用松下公司的AQW21OEH，其動作電流為 0.5-1A，長期允許電流為 4A，最小整定電流時損耗為 0.5（VA），動作時間為當(dāng)1.2倍整定電流時不大于0.15s、當(dāng)3倍整定電流時不大于0.03s。AQW21OEH光電繼電器為2集成器件，一個芯片可以實(shí)現(xiàn)2個開關(guān)的作用，通過控制端來控制開關(guān)的通斷，本設(shè)計(jì)中共使用了28個繼電開關(guān)，因此需要使用十四組AQW21OEH。但是應(yīng)該注意的是，由于光電繼電器開關(guān)有一定的導(dǎo)通內(nèi)阻，所以在選擇電阻時應(yīng)作一些調(diào)整，否則會造成一定的測量誤差。

2 硬件電路圖

3 軟件流程圖

本設(shè)計(jì)包括的主要模塊有最大功率跟蹤模塊、充電模塊、放電模塊、A/D轉(zhuǎn)換模塊、顯示模塊。

4 結(jié)論

本設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容是為了解決光伏系統(tǒng)中鋰電池充放電過程所面對的問題，鋰電池是一種新型的二次電池，目前，不僅工業(yè)生產(chǎn)上大量使用鋰電池，而且日常生活中也日益常見。設(shè)計(jì)的主要模塊是鋰電池充電控制裝置，傳統(tǒng)的充電方法很多，本設(shè)計(jì)采用的是分階段恒流恒壓充電；放電模塊采用了恒流放電的控制方式，用于控制鋰電池恒流放電，防止鋰電池過放，以延長鋰電池的實(shí)用壽命。

通過檢測得到的當(dāng)前條件下的剩余容量，檢測當(dāng)前負(fù)載工作電流的大小，直接計(jì)算即得到鋰電池能持續(xù)工作的時間。并不斷地根據(jù)鋰電池充、放電情況、環(huán)境變化及負(fù)載的變化對顯示進(jìn)行更新，現(xiàn)在的筆記本電腦及一些手機(jī)已經(jīng)采用此種電量剩余顯示方法，更直觀的向用戶反應(yīng)了當(dāng)前的電池容量。

［1］歐陽名三.獨(dú)立光伏系統(tǒng)中蓄電池管理的研究[D].安徽:合肥工業(yè)學(xué),2004.

［2］蔡曉峰,張宏博,黃偉,趙慧光.獨(dú)立光伏系統(tǒng)蓄電池優(yōu)化三段式充電策略研究[J].自動化儀表,2012,05.

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