基于虛擬仿真技術的鉛酸蓄電池充電特性實驗設計

唐影 張春富

摘要：為了建立適用于人才發展需要的新的實驗教學模式，形成完善的實驗教學體系，提高實驗教學的效率和質量，建立了基于虛擬仿真技術的鉛酸蓄電池充電特性實驗平臺。實驗依據鉛酸蓄電池的數學模型和初始參數設定，根據設定的初始荷電狀態、環境溫度、時間倍速和充電電流估算蓄電池的充電和極化狀態，在2課時內完成整個實驗過程。基于虛擬仿真技術的鉛酸蓄電池充電特性實驗克服實際充電實驗周期較長的弊端，幫助學生了解鉛酸蓄電池在光伏系統中的作用、理解鉛酸蓄電池充電過程的電化學反應和參數變化規律，掌握鉛酸蓄電池的充電特性。

關鍵詞：虛擬仿真技術;鉛酸蓄電池;充電特性

中圖分類號：G642.0文獻標識碼：A

太陽能光伏發電原理與應用實驗課程是電子電氣類、新能源科學與工程專業學生的一門重要的專業實踐課。通過實驗使學生進一步加強對理論知識的理解，深入理解光伏電池的輸出特性、照度特性和常用控制機構的結構與控制原理。傳統的實驗教學內容包括太陽能光伏電池的伏安特性測試、光照電流電壓特性測試、太陽能光伏電池板跟蹤控制和局部遮擋輸出特性測試等。而在光伏發電系統產生的電能需要蓄電池進行儲存和調節，以提供持續穩定的電能供應。蓄電池的正確充電是光伏發電系統運行和管理中至關重要的問題。[1]傳統試驗中因為蓄電池充電實驗周期較長，實驗設備成本等原因沒有設置蓄電池充電特性實驗，為了建立適用于人才發展需要的新的實驗教學模式，形成完善的實驗教學體系，提高實驗教學的效率和質量，建立了基于虛擬仿真技術的鉛酸蓄電池充電特性實驗平臺。

1 鉛酸蓄電池充電特性

目前在光伏發電系統中普遍采用鉛酸蓄電池組進行儲能，鉛酸蓄電池的使用壽命和充電管理有著密切關系。[2]鉛蓄電池由正極板、負極板、隔板、電槽及電解液（稀硫酸溶液）組成。電極在完成充電后，正極板從硫酸鉛轉變為二氧化鉛，負極板從硫酸鉛轉變為海綿狀鉛，且蓄電池的電動勢與硫酸溶液的密度線性相關。

鉛酸蓄電池充電過程的電化學反應的方程式如下：

充電：PbSO4 + 2H2O + PbSO4 → PbO2+ 2H2SO4 + Pb

鉛酸蓄電池的恒流充電特性如圖1曲線所示，蓄電池充電過程有3個階段：初期（OA），電壓快速上升;中期（AC），電壓緩慢上升，延續較長時間;C點為充電末期，電壓開始快速上升，接近D點時，標志著蓄電池已充滿電，應停止充電。整個充電實驗持續時長約20小時。

依據D點的電壓為蓄電池已充滿標志這一原理，在充電回路中設置精密電壓測量電路，通過對蓄電池端電壓值的監測，即可判斷蓄電池是否應結束充電。對光伏發電系統所采用的12V免維護閥控密封式鉛酸蓄電池，25℃時充電終止電壓一般設置為2.35V/單體或14.1V。

2 虛擬仿真平臺的系統構架

系統架構如圖2所示，客戶端通過學校虛擬仿真實驗路由或網管訪問鉛酸蓄電池充電特性實驗服務器，獲取實驗操作界面，登陸后用戶設定的數據和操作和服務器之間實時交互存儲;鉛酸蓄電池充電特性實驗服務器提供蓄電池的實驗模型，并根據用戶設定和實驗進程返回數據供客戶端顯示。

實驗的預設參數如下：

（1）鉛酸蓄電池：規格12V/1Ah，三檔可調;

（2）充電電源：恒流源，三檔可調;

（3）環境溫度：25℃，操作可調，軟件自動計算充電終止電壓;

（4）初始荷電狀態：充分靜止，5%，操作可調;

（5）實驗計時器：軟件計時器，倍速二檔可調。

引入虛擬仿真實驗技術，不要求實驗用鉛酸蓄電池處于深度放電狀態，可以突破鉛酸蓄電池實際充電電流的限制，因而可以顯著加快鉛酸蓄電池的充電實進程，獲得完整的鉛酸蓄電池充電特性曲線;鉛酸蓄電池深度放電使用會嚴重縮短其使用壽命，因此虛擬仿真實驗還可以降低實驗成本，提升實驗教學時的學生參與度和實驗成就感。

教學方法采用虛擬仿真實驗平臺，在一人一機的條件下完成實驗教學的內容。

3 實驗步驟及考核要求設計

學生在實際實驗前應做好充分預習，了解實驗原理和操作步驟，通過模擬實驗和提問檢驗預習效果，再通過授課時細節及難點的講解幫助學生更好的完成實驗。

3.1 實驗步驟設計

實驗人員登陸系統，進入試驗后，按以下步驟進行實驗：

（1）設定實驗用鉛酸蓄電池容量、恒流源輸出電流值、實驗環境溫度、系統自動修正充電終止電壓值、實驗用鉛酸蓄電池初始荷電狀態、實驗計時倍速;

（2）按照原理圖圖3連接實驗導線;

（3）閉合開關K2，記錄電壓表所測鉛酸蓄電池初始電壓值;

（4）閉合開關K1，記錄電壓表所測鉛酸蓄電池瞬態初值;

（5）根據軟件定時器，每隔10分鐘電壓表的測量值;

（6）重復步驟5，直至電壓表測量值達到充電終止電壓值;

（7）記錄電壓表所測鉛酸蓄電池充電終止值;

（8）斷開開關1，記錄電壓表所測鉛酸蓄電池瞬態終值;

（9）每隔1分鐘記錄電壓表所測鉛酸蓄電池去極化端電壓;

（10）重復步驟7，直至電壓表測量值的變化量小于1mV;

（11）根據步驟46的時間數據和電壓數據，繪制鉛酸蓄電池的充電特性曲線;

（12）根據步驟78的時間數據和電壓數據，繪制極化電壓的時間曲線;

（13）拆除導線，關閉電源，結束實驗。

3.2 考核要求設計

（1）撰寫實驗報告，對實驗數據進行曲線擬合，分析曲線變化規律和內因;

（2）分析步驟3和步驟4的數據差值，思考其原因;

（3）分析步驟7和步驟8的數據差值，思考其原因;

（4）若改變鉛酸蓄電池的初始容量，思考充電時長的變化和原因;

（5）若改變鉛酸蓄電池的充電電流，思考充電時長的變化和原因;

（6）上述思考題可現場討論。

學生實驗成績評分標準參照以下幾點考核：

（1）是否能正確安裝客戶端虛擬仿真實驗軟件并運行;

（2）是否預習實驗內容，實驗任務是否明確;

（3）是否能正確使用軟件，獨立、正確的完成實驗操作;

（4）實驗報告是否內容完整、敘述嚴謹、版面布局合理整潔、數據處理過程完整正確、實驗結論是否正確;

（5）是否能正確回答實驗思考題，實驗討論有一定的見解。

4 結語

本虛擬仿真實驗項目依托虛擬現實、多媒體、人機交互、數據庫和網絡通訊等技術，構建高度仿真的虛擬實驗環境和實驗對象，使得學生可在虛擬環境中開展實驗，理念先進。

實驗依據鉛酸蓄電池的數學模型和初始參數設定，根據設定的初始荷電狀態、環境溫度、時間倍速和充電電流估算蓄電池的充電和極化狀態，在2課時內完成整個實驗過程，克服實際充電實驗周期較長的弊端，達到《太陽能光伏發電原理與應用》教學大綱所要求的教學效果，幫助學生了解鉛酸蓄電池在光伏系統中的作用、理解鉛酸蓄電池充電過程的電化學反應和參數變化規律，掌握鉛酸蓄電池的充電特性。實驗通過逼真的多媒體表現形式，讓相對抽象的實驗過程濃縮在形象逼真的動畫演示中，最大限度地發揮虛擬元器件資源的優勢，降低實驗準備時間和耗材成本，提高教學效果。

參考文獻：

[1]何道清.太陽能光伏發電系統原理與應用技術[M].北京：化學工業出版社，2012.

[2]王永濤.淺析影響航標用鉛酸蓄電池使用壽命的主要因素[J].通信電源技術，2015，32（2）：132134.

作者簡介：唐影（1989），女，滿族，黑龍江雙城人，助教，碩士，主要研究領域新能源發電，電力電子技術;張春富（1977），男，副教授，博士，主要研究領域自動化測試與控制。