光伏儲(chǔ)能實(shí)驗(yàn)測(cè)量系統(tǒng)構(gòu)建

齊文娟， 武夢(mèng)涵， 梁永坤， 毛彥永

（上海交通大學(xué)電子信息與電氣工程學(xué)院，上海 200240）

0 引 言

在新能源發(fā)電系統(tǒng)中儲(chǔ)能電池占有重要地位，目前儲(chǔ)能電池以鋰離子電池為主。隨著設(shè)備智能化程度的提高和鋰離子電池的廣泛使用，對(duì)鋰離子電池性能的要求也越來(lái)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(guò)流、過(guò)壓以及放電短路、過(guò)放及過(guò)熱等都會(huì)嚴(yán)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(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)電池的電壓、剩余電量、估計(jì)供電時(shí)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(yùn)行可靠性［1］。在所有電池參數(shù)中，電池的剩余電量最難測(cè)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(guān)系。

在科研和工業(yè)領(lǐng)域中，很多學(xué)者研究了鋰離子電池的安全監(jiān)測(cè)［2-3］、電池荷電狀態(tài)估計(jì)［4-9］和熱失控［10］等內(nèi)容，涉及設(shè)計(jì)規(guī)模和目標(biāo)、數(shù)據(jù)采集方法、成本和維護(hù)等方面，與教學(xué)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)存在較大差異。目前，鮮有將測(cè)量、監(jiān)測(cè)和電池管理方法應(yīng)用于實(shí)驗(yàn)教學(xué)和實(shí)驗(yàn)平臺(tái)開(kāi)發(fā)方面的研究［11-12］。

構(gòu)建的基于光伏儲(chǔ)能的實(shí)驗(yàn)測(cè)量系統(tǒng)以鋰離子電池為測(cè)量對(duì)象，可實(shí)現(xiàn)鋰離子電池充電和放電、鋰離子電池充放電過(guò)程監(jiān)測(cè)和特性測(cè)量、電量估計(jì)和顯示等功能。首先介紹了系統(tǒng)硬件、軟件結(jié)構(gòu)和實(shí)現(xiàn)方法，然后給出了鋰離子電池電量估計(jì)方法，最后給出了實(shí)驗(yàn)平臺(tái)硬件和部分測(cè)試結(jié)果。

1 硬件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

1.1 硬件總體結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)包括光伏電池、單節(jié)鋰離子電池、單片機(jī)及外圍電路、測(cè)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(zhuǎn)換芯片，使用霍爾電流傳感器ACS712 測(cè)量電流，采用CD4051 芯片選擇測(cè)量通道，對(duì)電池充放電電流和電壓進(jìn)行采集。采用單片機(jī)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)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(yáng)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(shè)計(jì)過(guò)充保護(hù)電路。當(dāng)充電電壓超過(guò)設(shè)置值（如4.5 V）或者充電電流超過(guò)設(shè)置值（如1.0 A）時(shí)，繼電器斷開(kāi)充電電路，同時(shí)蜂鳴器鳴響、指示紅燈點(diǎn)亮。當(dāng)電量即將充滿時(shí)，通過(guò)電量估計(jì)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(shí)蜂鳴器鳴響、指示白燈點(diǎn)亮。

模式2 采用太陽(yáng)能電池板，通過(guò)充電管理模塊TP4056 為單節(jié)18650 鋰離子電池充電，實(shí)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(hù)和指示與模式1 相同。2 種模式通過(guò)跳帽實(shí)現(xiàn)功能切換。

1.2.2 放電管理

將電阻或LED燈作為負(fù)載，采用跳帽實(shí)現(xiàn)充放電切換。設(shè)置了保護(hù)電路，當(dāng)放電電壓或電流超過(guò)給定限值（如電壓3.6 V 或者電流1.0 A）時(shí)，繼電器斷開(kāi)外部負(fù)載，同時(shí)蜂鳴器鳴響、指示紅燈點(diǎn)亮，以保護(hù)電池不過(guò)放。電量過(guò)低或者電壓過(guò)低時(shí)指示紅燈點(diǎn)亮、蜂鳴器鳴響。

1.2.3 充放電特性測(cè)量

鋰離子電池充放電過(guò)程中采樣電路可根據(jù)設(shè)定的要求和頻率進(jìn)行電壓和電流的采樣，實(shí)現(xiàn)鋰離子電池充放電特性的自動(dòng)測(cè)量。用跳帽實(shí)現(xiàn)充放電切換，通過(guò)電流數(shù)值正負(fù)判斷電流流向，進(jìn)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(jì)

通過(guò)電壓、電流采樣，單片機(jī)根據(jù)設(shè)定的算法進(jìn)行電量計(jì)算，然后通過(guò)液晶屏進(jìn)行電量顯示以及低電量和電量充滿提醒。

1.2.5 過(guò)熱保護(hù)

采用負(fù)溫度系數(shù)薄膜熱敏電阻進(jìn)行電池溫度的實(shí)時(shí)測(cè)量。測(cè)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(cè)量所得的熱敏電阻分壓采樣之后輸入單片機(jī)，再根據(jù)熱敏電阻的溫度-阻值特性得到溫度值，然后進(jìn)行液晶顯示。通過(guò)對(duì)熱敏電阻的溫度特性進(jìn)行擬合，可以實(shí)現(xiàn)較為精確的溫度測(cè)量。當(dāng)測(cè)量得到的電池溫度高于設(shè)定值如42 ℃時(shí)，斷開(kāi)放電或充電電路，同時(shí)指示藍(lán)燈點(diǎn)亮、蜂鳴器鳴響。

2 軟件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

2.1 系統(tǒng)測(cè)量軟件部分

系統(tǒng)測(cè)量軟件部分主要包括電壓測(cè)量程序、電流測(cè)量程序、溫度測(cè)量程序和電量測(cè)量程序。其中，電壓、電流和溫度測(cè)量相對(duì)簡(jiǎn)單，通過(guò)讀取模數(shù)轉(zhuǎn)換器的數(shù)據(jù)并進(jìn)行換算即可得到對(duì)應(yīng)的數(shù)值，取平均后實(shí)時(shí)顯示。電量測(cè)量程序較為復(fù)雜，下面給出詳細(xì)介紹。

2.2 電量估計(jì)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(jì)是電池管理系統(tǒng)中的一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，而電池SOC 無(wú)法直接測(cè)量，只能通過(guò)電壓、電流、溫度等參數(shù)間接估算［13］。美國(guó)先進(jìn)電池聯(lián)合會(huì)（USABC）在《電動(dòng)汽車試驗(yàn)手冊(cè)》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(jì)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(cè)量方法有開(kāi)路電壓法和安時(shí)積分法。

2.2.2 開(kāi)路電壓法

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

由于鋰離子電池的開(kāi)路電壓與SSOC之間存在映射關(guān)系，因此可以通過(guò)測(cè)量當(dāng)前的開(kāi)路電壓值從而得到電池當(dāng)前的SSOC值。本實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中，對(duì)所使用的鋰離子電池進(jìn)行放電測(cè)試，得到的放電曲線如圖2 所示。

圖2 測(cè)試所得放電曲線

2.2.3 安時(shí)積分法

安時(shí)積分法又稱為電流積分法，即在一段時(shí)間內(nèi)通過(guò)電流對(duì)時(shí)間的積分計(jì)算出這段時(shí)間內(nèi)消耗的電荷量，計(jì)算式為

其中：SSOCO為初始電池SOC值；η為庫(kù)侖效率；I（t）為t時(shí)刻的電流。

安時(shí)積分法較為簡(jiǎn)便，但會(huì)出現(xiàn)較大估算誤差。在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中，通常對(duì)安時(shí)積分法中的電流和溫度進(jìn)行反饋修正，再結(jié)合開(kāi)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(jì)算法和實(shí)現(xiàn)

為了充分考慮鋰離子電池電量估計(jì)中各種因素的影響，結(jié)合實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，設(shè)計(jì)了一套邏輯來(lái)分配2 種算法的任務(wù)以及權(quán)重，從而讓2 種算法充分發(fā)揮優(yōu)勢(shì)，使得SSOC估計(jì)值更貼近實(shí)際值。圖3 為電量估計(jì)算法流程圖，圖4 為電量測(cè)量程序。

圖3 電量估計(jì)算法流程

圖4 電量測(cè)量程序

開(kāi)機(jī)時(shí)讀取歷史保存值Ssave，并開(kāi)始計(jì)算。在進(jìn)行充放電時(shí)，以安時(shí)積分法為主、開(kāi)路電壓法為輔進(jìn)行電量估算，以加權(quán)的形式計(jì)算出最后結(jié)果。

在充放電結(jié)束后，首先出現(xiàn)一個(gè)由電池內(nèi)阻帶來(lái)的電壓回升或降落；隨后，電池內(nèi)部化學(xué)反應(yīng)逐漸停止，電池結(jié)構(gòu)趨于穩(wěn)定，電池內(nèi)極化電容逐漸放電完畢，電壓進(jìn)一步回升或降落。因此，可以在此時(shí)通過(guò)開(kāi)路電壓對(duì)之前計(jì)算出的電量進(jìn)行修正。

放電接近結(jié)束時(shí)，電壓出現(xiàn)急劇下降，這是因?yàn)樵诜烹娊Y(jié)束時(shí)負(fù)極反應(yīng)物的濃度降低，嵌入正極結(jié)構(gòu)中的鋰離子增加［16］。此時(shí)以負(fù)載電壓為主要影響因素進(jìn)行SOC估計(jì)，能更好地反映電池狀態(tài)。

鋰離子電池在對(duì)負(fù)載供電時(shí)，由于電池內(nèi)阻的影響，負(fù)載電壓會(huì)對(duì)鋰離子電池電壓測(cè)量產(chǎn)生影響，因此在進(jìn)行精確測(cè)量時(shí)需要對(duì)負(fù)載特性進(jìn)行估計(jì)，并將其影響考慮在內(nèi)。

3 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)實(shí)現(xiàn)與測(cè)試

3.1 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)硬件實(shí)現(xiàn)

采用面包板搭建硬件電路，便于快速調(diào)試和系統(tǒng)功能驗(yàn)證。搭建的電路如圖5 所示。功能調(diào)試通過(guò)后進(jìn)行印制電路板的制作與焊接、軟件燒錄和系統(tǒng)調(diào)試。圖6 為實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的印制電路板電路實(shí)物。

圖5 面包板搭建的電路

圖6 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的印制電路板電路實(shí)物

3.2 實(shí)驗(yàn)測(cè)試

3.2.1 放電測(cè)試

使用LED燈進(jìn)行常規(guī)放電測(cè)試和過(guò)流放電測(cè)試，放電測(cè)試功能正常。圖7 和圖8 分別為三燈和兩燈并聯(lián)時(shí)的放電實(shí)驗(yàn)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(cè)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(jī)，由單片機(jī)判定為充電狀態(tài)。隨后，進(jìn)行恒流充電及充電電流過(guò)充測(cè)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(shí)實(shí)驗(yàn)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(yáng)能電池板進(jìn)行充電，太陽(yáng)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(shí)的實(shí)驗(yàn)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(shí)的實(shí)驗(yàn)照片

4 結(jié) 語(yǔ)

搭建了應(yīng)用于電氣工程專業(yè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的光伏儲(chǔ)能實(shí)驗(yàn)測(cè)量系統(tǒng)，該系統(tǒng)可進(jìn)行鋰離子電池充放電管理、特性測(cè)量、電量估計(jì)和過(guò)熱保護(hù)，集成了電壓、電流、溫度、電量四大測(cè)量功能。將安時(shí)積分法與開(kāi)路電壓法相結(jié)合，從電流、電壓以及負(fù)載特性3 個(gè)不同的角度多維度地觀測(cè)鋰離子電池的電量變化。充分考慮了鋰離子電池充放電過(guò)程中多種因素的影響，通過(guò)加權(quán)算法以及低電壓修正、放電結(jié)束修正、充電結(jié)束修正等多種修正算法，實(shí)現(xiàn)了對(duì)鋰離子電池更為精確的電量估計(jì)。