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独立光伏系统中锂电池管理的研究

时间:2015-5-15 17:07:47来源:科技视界浏览次数:
【摘 要】能源危机的加剧使得光伏电能的应用越来越受到人们的重视,成为新能源利用的主流之一。对于一个完备的独立光伏直流应用系统,除了光伏电池、锂电池、负载之外,锂电池充放电控制器只不可或缺的,锂电池充放电控制器通过对锂电池电压电流的检测,对锂电池组充放电电压电流进行控制和规定。本设计是以AT89C51单片机为核心的锂电池充放电控制装置的系统,通过对AT89C51单片机软件编程可以实现以下基本要求:(1)锂电池恒流恒压充电;(2)锂电池的电量检测;(3)锂电池恒流放电。
  【关键词】锂电池;恒流恒压充电;光伏系统
  Design of The Lithium Battery Charge and Discharge Control Device of The PV System
  LIU Xing XING Chang-da
  (Anhui University of Science & Technology, Huainan Anhui 232000, China)
  【Abstract】Because of the energy crisis,Photovoltaic power is more and more important for people,and it has become one of the mainstream new energy.But PV cells iS a kind of nonlinear sources,So a whole of PV power system must be contained a charging and discharging controller except photovoltaic cells,Lithium battery and load.The controller is the core of the PV system,it can control the Charging and discharging current and voltage.This design is based on the system of lithium battery’s charging and discharging control device . The core of this system is the single-chip microcomputer AT89C51. By programming the single-chip microcomputer AT89C51 software, we can implement the following basic requirements: 1, the constant current and constant voltage of lithium battery’s charging. 2, the detection of lithium battery’s power capacity. 3, the constant current of lithium battery’s discharging.
  【Key words】Lithium battery; Constant current and constant voltage of charging; Photovoltaic (PV) system
  0 引言
  随着世纪经济的快速发展以及科学技术的进步,人类对能源的需求与日俱增。太阳能作为一种新型、绿色环保、廉价的能源受到越来越多的关注,对太阳能的开发利用也成了新世纪的热门话题,然而对太阳能的储存也受到了巨大的关注,太阳能储能是将太阳能转换为电能储存于太阳能储能电池中。储能电池的种类繁多,但使用方法和控制策略基本相似。其中,锂电池是一种新型的二次电池,具有端电压高、比能量大、充放电寿命长、放电性能稳定、自放电率低、无污染等特点,已经成为国内外电池发展的主流,因此,对独立光伏系统中锂电池的管理研究是一个重大工作,意义也是巨大的。
  锂电池作为一种新型的二次电池,在使用过程中要严格避免出现过冲,过放,过流等现象,锂电池还必须考虑充放电时的安全性,因此在光伏系统锂电池充放电控制装置中要对锂电池进行保护,以延长锂电池的使用寿命,锂电池充放电的基本控制构想如图1所示:


  图1 锂电池管理框图
  从图1框图中可以看出,本设计所涉及到的内容包括充电装置的设计、放电装置的设计、电池电量的检测以及与电池组有关的电池排列方式、充电方法等。
  1 硬件设计
  1.1 充电装置-恒流恒压充电
  锂电池的充电过程一般包括预充电、恒流充电(CC)和恒压充电(CV)三个过程。预充电是指当电池电压低于芯片设定的预充电阈值时,充电器以小电流对电池进行涓流充电。当电池电压上升到预充电阈值以上时,以大电流对电池进行恒流充电;当电池电压接近浮充电压阈值(4.2V),充电器逐渐转变为恒压模式充电,充电电流逐渐减小;当电流减小到终止电流k时,充电过程结束。
  本设计采用MOS管取代二极管并同时引入负反馈的方式,保证在过渡区时只有一个低频极点,优化了系统的稳定性。
  本设计的恒流恒压控制电路如图2所示,它主要包括三个放大器:电流放大器(CA),电压放大器(VA),匹配放大器(MA);两个主控制环:其中CA、M1、M3、Rprog构成电流控制环(CA环);VA、M4、M2、R1和R2构成电压控制环(VA环);充电电流检测电路:M1、MA、M3、Rprog。图2中,M4采用开漏输出连接方式,它和VA一起构成跨导放大器。

  图2 恒流恒压控制电路
  1.1.1 恒流充电

当电池电压较低时,VA输出高电平,M4截止,G点电压完全由放大器CA决定。此时,有Vb=Vprog,则流过Rprog的电流为Iprog=Vb/Rprog,所以,M2将给电池提供大小为1000Vb/Rprog的恒定充电电流。当电池电压低于3.00V时,Vb的电压为0.1V,充电电流为0.1C(C=充放电电流(mA)/电池容量(mAh));电池电压高于3.00V而低于4.15 V时,Vb的电压为1V,充电电流为lC。
  1.1.2 恒压充电
  当VA的负输入端电压接近基准电压Vref,时,VA输出端电压下降,M4导通,此时,VA、M4、M2、R1和R2构成一个LDO稳压器,输出电压为
  Vbat=(1+■)Vref
  此时,Vbat端以恒定的电压4.2V向电池充电,充电电流逐渐减小;当电流减小到IEnd时,逻辑控制电路自动将充电器关闭。
  1.2 锂电池限压限流放电
  锂电池实际放出的电量与放电电流有关,放电电流越大,锂电池的效率越低,应避免大电流放电,提高锂电池的效率。随着放电的进行,锂电池的电压必然要降低,如不加电压电流采样电路,则放电电流也会随着电压的降低而降低。因此要在放电回路进行电流电压采样,通过采样的电压电流反馈,及时操作,停止放电。放电时除了电压的采样,还要对锂电池放电时锂电池的放电电流进行采样,用于限制锂电池组的过放,电流采样电路如图3所示。
  对采样电阻RL两端的电压进行采样,并使用差分式运算放大器放大输出到MCU的A/D采样端,从而得到主电路中的电流值。由于信号需要精确采样,并且与电源隔离,因此使用线性光耦HCNR200,如图3所示。另外,单片机及周边电路的用电可直接通过锂电池隔离变压得到,系统无须外部电源供电,十分方便。

  图3 锂电池电压测量电路
  1.3 锂电池的电量检测装置
  锂电池组采用8节锂电池串联连接,根据电池管理系统的技术和功能要求如下:
  (1)采集 8个单体电池电压,精度为 0.05V;
  (2)充放电检测控制,电流检测精度:0.01A;
  (3)单体电压过高(>4.15V) 、单体电压过低(<3.00V)。
  由于系统由8节锂电池串联组成,如果直接测量8节锂电池的电压,运放的输入电压将高达三十几伏,这已超出绝大多数运放的工作范围。针对目前应用比较广泛的8串锂电池组,本文通过采用一种新电压测量电路,大大减小了测量电路点的体积和成本。
  八节串联锂电池中的BT1电池测量方法如图4所示,在此,由于篇幅和测量方法大同小异等原因,仅用BT1的测量方法和开关的选择来类推BT2、BT3等其他七节锂电池电量的方法和开关的选择,以及电池充放电所要选择的开关。
  图4 锂电池BT1充放电与电量检测过程开关选择示意图
  测量锂电池BT1的电量时,闭合开关S0、S7、S8、S18、S19五个开关,此时VBT1+的电位便是锂电池VBT1的正极电位,VBT1-的电位便是锂电池VBT1的负极电位,因此锂电池BT1的电压为:
  VBT1=VBT1+-VBT1-
  这样就完成了测量锂电池BT1的电量,其余七节锂电池的测量方法与此大致相同,再次不再赘述。
  当锂电池BT1需要充电时,闭合开关S0,开关S20闭合至低电平母线,开关S21闭合至高电平母线上,此时锂电池BT1的正极所接电位高于负极所接电位,锂电池BT1充电,锂电池BT1放电时的开关选择和充电时的开关选择是相同的。
  电池组的连接方式可以将八节锂电池串联在一起同时充电,也可单独对于某一节电池进行充电,根据需要选择闭合不同的开关,选择对几节锂电池进行充放电,这样可以通过反馈的锂电池电量进行选择,保障八节锂电池均衡充电。在放电过程中,若某一节锂电池出现过放现象时,系统将自动断开相应的控制开关,停止该电池的放电过程,这样的设计方法又防止了电池的过冲与过放现象,延长锂电池的实用寿命,以节约成本。
  光电继电器(RELAYn)选用松下公司的AQW21OEH,其动作电流为0.5-1A,长期允许电流为4A,最小整定电流时损耗为0.5(VA),动作时间为当1.2倍整定电流时不大于0.15s、当3倍整定电流时不大于0.03s。AQW21OEH光电继电器为2集成器件,一个芯片可以实现2个开关的作用,通过控制端来控制开关的通断,本设计中共使用了28个继电开关,因此需要使用十四组AQW21OEH。但是应该注意的是,由于光电继电器开关有一定的导通内阻,所以在选择电阻时应作一些调整,否则会造成一定的测量误差。
  2 硬件电路图
  图5 硬件电路图
  3 软件流程图
  本设计包括的主要模块有最大功率跟踪模块、充电模块、放电模块、A/D转换模块、显示模块。
  图6 程序流程图
  4 结论
  本设计的主要内容是为了解决光伏系统中锂电池充放电过程所面对的问题,锂电池是一种新型的二次电池,目前,不仅工业生产上大量使用锂电池,而且日常生活中也日益常见。设计的主要模块是锂电池充电控制装置,传统的充电方法很多,本设计采用的是分阶段恒流恒压充电;放电模块采用了恒流放电的控制方式,用于控制锂电池恒流放电,防止锂电池过放,以延长锂电池的实用寿命。
  通过检测得到的当前条件下的剩余容量,检测当前负载工作电流的大小,直接计算即得到锂电池能持续工作的时间。并不断地根据锂电池充、放电情况、环境变化及负载的变化对显示进行更新,现在的笔记本电脑及一些手机已经采用此种电量剩余显示方法,更直观的向用户反应了当前的电池容量。
  【参考文献】
  [1]欧阳名三.独立光伏系统中蓄电池管理的研究[D].安徽:合肥工业学,2004.
  [2]蔡晓峰,张宏博,黄伟,赵慧光.独立光伏系统蓄电池优化三段式充电策略研究[J].自动化仪表,2012,05.
  [3]马文伟.独立光伏发电系统中蓄电池能量管理的研究[D].南京:东南大学,2011.
  [责任编辑:汤静]
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