基于51單片機的電池優化裝置實測分析

摘 要：將51單片機優越的功能性運用于解決電動汽車低溫下續航不足以滿足出行需求的問題極有必要。目前電瓶加熱方式多為工作時自發熱回饋電瓶，但效果甚微，其主要原因低溫下電池本身溫度低，導致電瓶無法完全工作，導致產熱自降，陷入惡性循環。為本文以拉薩市為例，針對其晝夜溫差較大、太陽能豐富等特點，在此通過實際實驗，對于電池自設計電池優化裝置的實際效益進行定量計算對比并做出總結。

關鍵詞：電池優化裝置實測研究 51單片機 拉薩市 電車續航

1 引言

目前對于電瓶車續航問題的解決方式的大多分兩種，一為選取優質保溫材料對電池進行全方位固溫，如特斯拉研究的“刀片電池”通過電芯—模組—電池包的三級裝配模式即配備了保溫，又減少整體質量來提高續航。另一方面則是通過頻繁的更換電池來實現電車續航穩定。但是以上兩種方式都會造成嚴重的電池污染，破壞生態環境，增大群眾經濟負擔。文章所涉通過以太陽能為輸入的電池優化裝置已經構建完畢，下面我們將針對其作用方式、作用位置、電動汽車工作基本參數、價格等方面來進一步確定其布設位置與實際效益。

2 功能實測

該裝置從根本上是利用太陽能來對抗溫度，屬于太陽能的廣泛利用。如圖1結構展示，通過運用太陽能板來吸收太陽能，后通過光伏控制器使其可用并存儲于蓄電池中供電給加熱部分，然后51單片機接收到溫度監測裝置的反饋后進行整體動態控制。故從結構上來分，測試主要為供能部分、加熱部分和統一工作能力三部分來做測試。

2.1 光電轉化能力實測分析

太陽能利用能力相關于太陽能板的吸收能力和儲存能力。其工作基本原理為太陽光照射于太陽能板，后太陽能板發電存入蓄電池中。由于太陽能電池直接發出的電并不穩定，需要額外的儀器將發出的直流低壓電轉化為可用的交流高壓電，即逆變器。一般純電動汽車會安裝逆變器，出于性能匹配，可能無法讓太陽能電池與鋰離子電池共用一個逆變器。但可以考慮將兩者合并組成太陽能-鋰電雙路逆變器。將直流低壓通過逆變器轉化成交流高壓過程中會有能量損耗，因此，需將該部分能量損耗考慮在內，對于高質量波，逆變器能量轉化效率在90%～95%。為了保證測試的普遍性，我們選擇在空曠且陽光自然地室外進行測試。其中太陽能板相關參數為：Solar Module：5W；Optimum Power Current 0.2A；Optimum Power Voltage 12v； Short circuit Current 0.3A；Open Circuit Voltage 21v；AM 1.5、25℃、1000W/m2；接收面積0.048867m2、體積0.00073m3、重量約750g； 蓄電池各項參數為：12V、6000mA，持續工作電流≤3A、瞬間啟動電流≤6A，適用工作電流3A以內；

太陽能板工作額定功計算公式：W=PT；測試所用太陽能板功率為1000w/m2，據圖2的2021年我國重要城市年平均日照量統計可知，拉薩市年平均日照量居首位，高達8.62h/天，則太陽能板一天可產電W=1000w/m2×0.048867m2×8.62h/天×1天×0.95=400171.863mA，完全可以滿足蓄電池存儲要求。

但是在實際測試中，拉薩溫度差異較高，往往可以達到10℃以上，不能恒定保持在最合適的工作溫度。如表1，以拉薩市為例，東經91°06′，北緯29°36，通過控制變量法測試溫度對太陽能板工作的影響。

由表1可見，工作最適溫度為25℃左右。經超過25℃后太陽能板的峰值功率和開路電壓都會隨溫度的升高而降低。溫度每降低1℃，太陽能板峰值電壓約降低0.35%，電壓會降低200-350mv；單體太陽能板的峰值溫度每升高1℃，單位太陽能板的峰值功率會損失約0.35%～0.45%，電壓會降210-212mv。且高溫會影響太陽能板保護材料的耐久性，影響其使用壽命。

2.2 加熱能力實測分析

我們將供能部分直接連接上小型加熱片，通過測試達到不同溫度所需的時間與耗電來評析所捕捉到的太陽能是否能滿足需要。為確保實測準確度與實際可行性，我們選擇具有防潮、耐腐蝕、絕緣強度高和使用壽命長的一對硅橡膠加熱片，參數為：加熱面積S=0.0025平方米、直流電源U=5V可啟動，額定功率P=1.4W；小面積使加熱片易于安放在各個測試位置，有助測試不同環境條件下的加熱能力。我們對其增加數顯溫控器，在環境溫度10.5度（將其測試起始溫度控制為等同環境溫度）、無風條件下測試其自熱能力、加熱時間以及耗電量。

測試結果如下表2、圖3。

如表2所記錄，加熱片從環境溫度開始加熱，其達到巔峰的60℃僅5分11秒6分，其中50℃之前加熱較為平穩，50℃～60℃期間加熱時長顯著增加，我們認為其原因主要來自于加熱片與供能部分本身限制，蓄電池電壓峰值和加熱片溫度變得更高時的參數不匹配，無法滿足功率支持，換而言之，如果蓄電池條件足夠，加熱片仍然可以以較高的速度繼續升溫；而針對于能耗部分來看，因為有熱量散失等無用功的存在使得加熱片的機械效率不能達到100%，實測耗電量一直保持大于理論耗電量，但是供能部分所捕獲的太陽能完全可以滿足加熱片的正常使用。

2.3 裝置工作實測

電池優化裝置的實測從根本上是通過廣泛利用太陽能來對抗低溫給電動汽車續航帶來的影響，所以我們通過比較添加與不添加該裝置情況下的用電裝置續航時間來判斷裝置效果，故實驗變量為環境溫度和是否增設裝置。首先對實驗做出假設：電動汽車自重遠超該裝置重量，故不考慮增設裝置后，其本身對續航的負面影響。在此基礎上便可以將測試裝置從小車換為其他易測設備。我們選取一額定電壓為12v的直流小風扇，通過兩節南孚五號干電池對其供電，打開電池開關，一直運行到風扇停止為止，記錄時長。具體測試數據見表3。

在實際測試中，51單片機發揮了強大的功能，可以將干電池溫度有效控制在20～30℃之間，使其可以恢復良好的充放電能力。如表3所記錄，溫度低于25℃情況下增設該電池優化裝置可以有效增加續航0.11h～8.09h不等，尤其是在0～15℃時，效果顯著。而溫度達到最適宜之后，小風扇系統已達最高續航不再有優化。

3 電池優化裝置實測結果總結與討論

就本次實測來看，電池優化裝置的供能部分、加熱部分以及整體供能都反映良好。供能部分充分滿足加熱部分的能耗需求，加熱部分在很短時間內升溫恢復電池充放電能力，而核心的51單片機通過溫度監測部分可以精確地控制加熱與否。本次實驗分析較為重要的一點是：器材參數全部真實、實驗過程均為現實操作，這使得實驗具有一定參考意義。但是裝置也依然存在不足，如裝置自重影響、安放時的安全問題等仍然是可以繼續探究解決的問題。

基金項目：自治區級大學生創新訓練項目“基于51單片機電動自行車電池優化裝置設計”（項目編號：S202210694016）。

參考文獻：

[1]黃宇翔. 太陽能-鋰電純電動車設想與運行模式計算[J]. 中國設備工程，2020（5）：117-120.

[2]李孝祿，王東平，李娟，等. 利用太陽能實現電動自行車供電的研究[J]. 電動自行車，2018（2）：42-50.

[3]李娟. 太陽能電動自行車混合供電系統的研究[D]. 浙江：中國計量學院，2014.

[4]王勝兵，胡健，楊佳賓，等. 一種電動自行車自動換電池和智能充電裝置結構設計[J]. 河南科技，2021，40（30）：21-24.