一種基于MS P430單片機實現的鎳氫電池化成系統能量回收裝置

林金亮，胡新福，賴月華，黃鐘森

（1.閩西職業技術學院信息與制造學院，福建 龍巖364021；2.福建衛東環保股份有限公司信息技術研究所，福建 龍巖364000）

0 引言

鎳氫電池作為早期鎳鎘電池替代產品，不僅有效消除重金屬元素鎘對環境造成的污染，同時也大大減小鎳鎘電池中存在的“記憶效應”，在與其它二次電池如鋰電池、鉛酸電池等相比，鎳氫電池在相同體積下不僅具有較大能量密度比，而且在快速充電方面能使電池在數分鐘內恢復儲能80%以上[1]，因而在許多領域具有廣泛的應用。然而，鎳氫電池在投入使用之前要經過多次充放電使之激活即化成過程，國內眾多小型廠商處理鎳氫電池化成能量主要是在化成設備末端加裝電阻放電裝置，消耗多余能量，該法雖然電路結構簡單、成本低廉，但會造成極大能源浪費，同時以電阻耗能解決化成能量還會造成系統整體溫度升高，進而大大降低系統穩定性和元件使用壽命；一些實力雄厚的廠家處理鎳氫電池化成能量則采用相控式有源逆變，實現化成能量的并網回饋，此法雖然能取到一定節能效果，但噪聲較大，輸出功率因數較低，對電網側容易造成諧波污染，因而該法在處理二次電池化成能量的設備中使用極其有限；有些高校和研究機構提出在化成設備母線上搭載儲能裝置，放電時將鎳氫電池釋放的多余能量存入大容量儲能裝置，等到需要時再取出給鎳氫電池充電，該裝置有效提高了化成設備的能源利用率，但目前此法缺乏對系統協調控制的研究，導致節能效率不高，一般在30%以下[2]。

為進一步解決節能問題，提高能源利用率，實現鎳氫電池化成系統能量高效回收，提出一種基于直流母線架構、卡爾曼濾波算法、采用AC/DC和DC/DC變換等技術的能量回收裝置，對傳統電路進行改進和算法優化，在保證鎳氫電池化成系統正常工作前提下使節能效率提高到46%以上。

1 能量回收系統整體結構

鎳氫電池化成系統能量回收裝置采用儲能直流母線架構，主要由微控制器模塊、高功率AC/DC模塊、儲能蓄電池組、耗能電路模塊及相應的外圍電路等組成。微控制器模塊主要負責相關電路的控制及通過CAN總線上傳鎳氫電池組相關狀態參數，同時接收上位機下達的指令。AC/DC模塊將220V/380V交流電整流為36 V直流電，在微處理器協調控制下為能量回收系統提供能量補給，實現能量單方向流動；儲能蓄電池則通過36 V直流母線實現整個系統儲能，能量可以雙向流動；耗能電路則消耗掉母線上多余能量，保證系統在化成過程安全可靠運行。微處理器模塊在化成過程中根據檢測到的數據決定是否為母線釋放能量或往直流母線補能，在確保系統化成過程安全前提下，盡可能多將鎳氫電池釋放的能量存儲在儲能蓄電池中，從而避免能源浪費，實現能量高效回收。化成系統能量回收裝置整體結構設計如圖1所示。

圖1 化成系統能量回收裝置整體設計圖

2 系統硬件電路設計

2.1 微處理的選擇

控制板電路設計采用美國TI公司微處理器MSP430F149，其不僅具有豐富的外設，如12位A/D轉換器、溫度傳感器、定時監視器（WDT）等，而且還具有超大容量FLASH存儲空間和強大運算處理能力，集成的A/D轉換器和溫度傳感器可以非常方便對化成電壓、電流進行檢測以及在不同溫度下對荷電量的補償，同時也可大大節省電路設計的外圍空間，尤其是低電壓、低功耗模式使自身系統耗電量極低，可極大提高系統對鎳氫電池和直流母線蓄電池能量檢測的精度。

2.2 耗能電路設計

耗能電路在微控制器MSP430F149的控制下實現對化成系統多余能量進行消耗，主要起電路保護作用，通過將繼電器和功率電阻串接在36 V直流母線上，通過控制繼電器的開關來選擇是否將功率電阻RPM600接入母線進行耗能，該種方案結構簡單，控制方便。當控制信號控制繼電器打開時，耗能電阻接入母線，母線進行耗能；控制信號控制繼電器關閉，耗能電阻從直流母線斷開，停止耗能，耗能電路與單片機的接口如圖2所示。

圖2 單片機與耗能電阻接口電路圖

2.3 AC/DC模塊電路設計

AC/DC模塊設計以Boost斬波升壓電路為核心，配以功率因素校正電路，將整流后的24 V直流電壓升壓成36V直流電向儲能直流母線充電。功率因數校正電路UCC28019芯片第8腳接入J1端口，J1端口有PWM信號輸入時，功率管Q1導通，交流市電經變壓器及整流電路后從J2、J3端口輸入直流電壓，此時直流電壓幾乎全部加在電感L1兩端，此時電感L1極性呈左正右負狀態，快恢復二極管D2則處于反偏截止，電流經電感L1和功率管Q1流回電源負極，電感電流iL線性上升，電感L1不斷將電能轉換為磁能蓄積起來。當J1口無PWM信號輸入時，Q1截止，L1因自感電動勢的存在使電感兩端極性轉為右正左負，此時D2導通，L1釋放儲能，電感電流iL線性下降；Boost電路在輸入直流電壓Ui和電感電壓UL共同作用下，經二極管D2和電容濾波后向儲能直流母線充電。Boost斬波升壓電路如圖3所示。

圖3 Boost斬波升壓設計電路

2.4 DC/DC模塊電路設計

DC/DC模塊是鎳氫電池化成系統重要組成部分，具有雙向轉換功能，在MSP430單片機PWM信號協調控制下給鎳氫電池組充放電。鎳氫電池組充電時，DC/DC模塊將36 V直流母線電壓轉換為12 V輸出電壓。放電時，DC/DC模塊反向將電池組釋放的能量通過母線儲存在蓄電池組中。DC/DC模塊電路設計采用IRS21867作為變換器驅動芯片，其供電電壓低、驅動電流大，且內含高速功率MOSFET和IGBT驅動器，結合具有超低柵極驅動電荷和米勒電容、低熱阻的N溝道場效應管CSD19536，可在功率轉換中最大限度降低能耗，轉換效率可達94%~96%，在放電過程也可節省90%~93%電能損失[3]，DC/DC模塊BUCK-BOOST主回路電路如圖4所示。

圖4 DC/DC模塊BUCK-BOOST主回路電路

3 系統關鍵軟件設計

3.1 電池電量檢測算法

電池電量SOC的檢測主要是檢測鎳氫電池和儲能蓄電池的電量，檢測的方法主要有開路電壓法、安時積分法、卡爾曼濾波法、神經網絡預測法等，開路電壓法實時估計電池電量需要較長靜置時間，因此不適合化成系統需要不斷充放電的場合。安時積分法從公式（1）可以看出，其電池電量的測量不僅與電流測量準確度和電池初始容量有關，而且對電池容量的估計還具有誤差累積效應。

式中SOC0為電池初始容量，CN為電池標稱容量，it為電池端口實時電流值，SOCt為t時刻蓄電池實時容量，η為校正因子。電池電量SOC神經網絡預測具有在線滾動優化指標和反饋自校正策略，具有較好的魯棒性和穩定性，但不具有線性和疊加性，而且程序算法較為復雜。卡爾曼濾波技術作為一種用于動態目標跟蹤與最佳估計的算法，只需要當前一個測量值和前一個采樣周期的預測值就能進行狀態的準確估計，尤其是電池電量SOC受到環境溫度、蓄電池老化以及充放電電流倍率等噪聲影響情況下更具有優越性，因而也可以認為電池的系統方程和觀測方程是非線性的，因此在應用卡爾曼濾波技術之前必須進行線性化處理。構建系統電池的系統方程和觀測方程如方程（2）所示：

對上面公式進行離散化后，即可得蓄電池離散狀態空間模型：

式中實時變量SOCk用xk表示，觀測變量Wt用yk表示。

則電池狀態方程和觀測方程可以分別表示為：xk+1=f（xk，yk）和yk=h（xk，yk）。

設電池初始狀態值估計的協方差P0=0，k=1，2，……，遞推可得：

誤差協方差陣：P（k+1）=P（k+1/k）-K（k+1）S（k+1）KT（k+1）

卡爾曼增益矩陣：K（k+1）=P（k+1/k）HT（k+1）-K（k+1）S-1（k+1）

在采集電池電量時，Kalman濾波器根據當前檢測值與先前狀態量在時間上首先進行第一次更新，獲得狀態量及誤差協方差先驗估計，并將其估計值傳送至后續的狀態更新；Kalman濾波器在狀態更新時將根據實時觀測值對前一階段先驗估計值進行修正，得到誤差協方差后驗估計和狀態量，如此不斷循環[5]，其算法流程如圖5所示。

圖5 電池電量檢測軟件算法流程圖

3.2 電池充電管理軟件設計

在對MH-Ni電池進行充電時，檢測其充電飽和條件：一是根據設置的充電飽和時間進行判斷；二是根據MH-Ni電池的充電特性，當T1時刻電壓V2小于T0時刻電壓V1，即當△V＝V2-V1為負時，說明電池充電已達飽和狀態，應停止充電，充電控制軟件設計流程圖如圖6所示。

圖6 充電控制軟件設計流程圖

3.3 下位機通信軟件設計

下位機通信軟件是系統軟件設計的關鍵部分，承擔著采集數據上傳和接收上位機控制指令的任務，其通信軟件設計主要采取串行口中斷的模式進行函數的編制，流程圖如圖7所示。

圖7 下位機通信軟件整體設計結構圖

3.4 上位機程序總體設計

能量回收系統上位機軟件統籌著整個系統的運行，不僅可以遠距離監控下位機及現場的運行狀態，而且可以改善操控人員的工作環境，其設計軟件主流一般有VB、VC++、Dephi、C#和組態王等應用型軟件，考慮到系統需要實時監測設備的運行情況，加上VB功能強大且簡單易學的特點，因而在上位機監控軟件的設計中選用VB進行程序開發。上位機系統軟件主要由電池化成控制部分和數據分析軟件部分，其整體結構功能如圖8所示。

圖8 上位機系統軟件整體功能設計結構圖

化成方案選擇主要選擇恒流充電或者恒壓充電，并設置各種保護措施以防止電池過充和過放，用戶權限管理主要針對生產操作人員和非操作人員的操作權限進行限制，系統通信模塊主要作用為與下位機進行數據通信，實時采集電池的電壓及充電電流數據，并對下位機能量回收系統進行控制，精度系數調節模塊對充電電壓和電流進行微調以防對二次電池損傷，分容選配組模塊根據電池測試數據快速準確將性能相近的電池分類配組，可實現電池組內單體電池特性的一致性，從而提高電池組的壽命，能量數據分析模塊根據充電電壓和電流以及時長可實現能量的計算與分析并顯示。

4 系統測試結果與分析

系統測試采用10節型號為7/5F6C鎳氫電池串聯成電池組，通過下位機電路按鍵或上位機軟件設定，以恒流1 000 mA對串聯鎳氫電池組進行充電，以恒流2 000 mA對鎳氫電池組進行放電，充放電過程因電池組兩端電壓U1不斷變化，故分別選取在儲能蓄電池充滿能量情況下對充放電初、中、末、滿/終四個典型狀態進行系統電壓電流及整體節能效果的測試，測試系統實物圖如圖9所示。

圖9 鎳氫電池化成系統測試實物圖

4.1 DC-DC變換器充放電效率測試

在系統測試電路中，設加在串聯鎳氫電池組兩端的電壓為U1，流經的電流值為I1，儲能母線上電壓值為U2，流入DC-DC模塊的電流值大小為I2，則變換器效率η1＝P1/P2×100% ＝U1I1/U2I2×100%。測得DC/DC變換器充放電效率如表1和表2所示。

表1 DC-DC變換器充電效率測試數據表

表2 DC-DC變換器放電效率測試數據表

從表1和表2可以看出，能量回收系統在充放電模式下對母線電壓影響不是很大，均能穩定在36 V附近，充電模式下變換效率總體略高于放電模式，雖然略有不同，但效率均能保持在90%以上，為系統能量進一步高效回收提供有力保障。

4.2 系統能量回收整體效率測試

設系統無能量回收時電池完成一次化成過程需要消耗電能為E，有能量回收裝置時消耗電能為E′，則節能效率計算公式η＝（E-E′）/E×100%。系統測試分三種方案進行，方案一采用無儲能裝置進行測試，此時系統所需耗電量即AC/DC提供給電池組全程的充電量，考慮到AC/DC模塊也有能量損耗，故可將數字式電能表至于AC/DC模塊后端直接讀出充電前后數據差值即可算出無能量回收時系統總耗電量；方案二采用控制AC/DC和耗能電阻開關量的策略，不對系統工作電流進行跟蹤控制；方案三采用完整控制策略對系統能量進行精確管理，即對AC/DC工作電流實時進行跟蹤和控制。能量回收系統三種方案節能效果整體測試如表3所示。

表3 能量回收系統整體節能效果測試

通過表3可以看出，采用電流跟蹤控制的方案三可以顯著提升化成系統的節能效果，相比目前市面上有儲能裝置的化成設備，其節能效率可提高17.3%。

5 結束語

在鎳氫電池化成系統中提出了一種基于MSP430單片機實現的能量回收裝置，通過對傳統電路進行改進和優化，以及采用擴展卡爾曼濾波技術提高系統對電池的測量精度，不僅有效防止電池過充過放，增加電池工作時間和使用壽命，而且有效解決電池化成測試過程中電能大量浪費或節能效率不高的問題。實驗數據表明，鎳氫電池化成系統能量回收裝置可以將整體節能效率提高至46%以上，自行設計的AC-DC和DC-DC變換器轉換能效也達到了90%以上，目前，能量回收系統已在某公司化成設備中試運行，節能效果良好。