光伏储能实验测量系统构建

齐文娟， 武梦涵， 梁永坤， 毛彦永

（上海交通大学电子信息与电气工程学院，上海 200240）

在新能源发电系统中储能电池占有重要地位，目前储能电池以锂离子电池为主。随着设备智能化程度的提高和锂离子电池的广泛使用，对锂离子电池性能的要求也越来越高。锂离子电池的不足之处在于充电及使用要求比较苛刻，充电过流、过压以及放电短路、过放及过热等都会严重影响电池的寿命、性能和安全。为了提高电池的使用率、全面掌握电池的状态，需要实时监测电池的电压、剩余电量、估计供电时间、温度等诸多信息，根据这些信息决定控制策略，从而提高系统运行可靠性［1］。在所有电池参数中，电池的剩余电量最难测量，它与电池的放电电流、温度以及电池充放电循环次数等参数有直接关系。

在科研和工业领域中，很多学者研究了锂离子电池的安全监测［2-3］、电池荷电状态估计［4-9］和热失控［10］等内容，涉及设计规模和目标、数据采集方法、成本和维护等方面，与教学实验平台存在较大差异。目前，鲜有将测量、监测和电池管理方法应用于实验教学和实验平台开发方面的研究［11-12］。

构建的基于光伏储能的实验测量系统以锂离子电池为测量对象，可实现锂离子电池充电和放电、锂离子电池充放电过程监测和特性测量、电量估计和显示等功能。首先介绍了系统硬件、软件结构和实现方法，然后给出了锂离子电池电量估计方法，最后给出了实验平台硬件和部分测试结果。

1.1 硬件总体结构

系统包括光伏电池、单节锂离子电池、单片机及外围电路、测量和显示电路等部分。以STC89C52 芯片为主控芯片、ADC0832 芯片为模数转换芯片，使用霍尔电流传感器ACS712 测量电流，采用CD4051 芯片选择测量通道，对电池充放电电流和电压进行采集。采用单片机对数据进行实时处理，最终显示在LCD1602液晶屏上。系统功能框图如图1 所示。

图1 系统功能框图

1.2 系统功能和工作原理

1.2.1 充电管理

锂离子电池充电分为2 种模式：模式1，稳压电源充电模式；
模式2，太阳能电池充电模式。模式1 采用稳压电源给锂离子电池充电，设计过充保护电路。当充电电压超过设置值（如4.5 V）或者充电电流超过设置值（如1.0 A）时，继电器断开充电电路，同时蜂鸣器鸣响、指示红灯点亮。当电量即将充满时，通过电量估计程序判断充电状态是否完成，若完成则继电器切断充电，同时蜂鸣器鸣响、指示白灯点亮。

模式2 采用太阳能电池板，通过充电管理模块TP4056 为单节18650 锂离子电池充电，实现电池所需的不同阶段恒流充电和恒压充电功能，充电保护和指示与模式1 相同。2 种模式通过跳帽实现功能切换。

1.2.2 放电管理

将电阻或LED灯作为负载，采用跳帽实现充放电切换。设置了保护电路，当放电电压或电流超过给定限值（如电压3.6 V 或者电流1.0 A）时，继电器断开外部负载，同时蜂鸣器鸣响、指示红灯点亮，以保护电池不过放。电量过低或者电压过低时指示红灯点亮、蜂鸣器鸣响。

1.2.3 充放电特性测量

锂离子电池充放电过程中采样电路可根据设定的要求和频率进行电压和电流的采样，实现锂离子电池充放电特性的自动测量。用跳帽实现充放电切换，通过电流数值正负判断电流流向，进而判断电池处于充电状态还是放电状态。

1.2.4 电量估计

通过电压、电流采样，单片机根据设定的算法进行电量计算，然后通过液晶屏进行电量显示以及低电量和电量充满提醒。

1.2.5 过热保护

采用负温度系数薄膜热敏电阻进行电池温度的实时测量。测量系统中热敏电阻与固定阻值电阻（如10 kΩ）串联分压，将测量所得的热敏电阻分压采样之后输入单片机，再根据热敏电阻的温度-阻值特性得到温度值，然后进行液晶显示。通过对热敏电阻的温度特性进行拟合，可以实现较为精确的温度测量。当测量得到的电池温度高于设定值如42 ℃时，断开放电或充电电路，同时指示蓝灯点亮、蜂鸣器鸣响。

2.1 系统测量软件部分

系统测量软件部分主要包括电压测量程序、电流测量程序、温度测量程序和电量测量程序。其中，电压、电流和温度测量相对简单，通过读取模数转换器的数据并进行换算即可得到对应的数值，取平均后实时显示。电量测量程序较为复杂，下面给出详细介绍。

2.2 电量估计原理

2.2.1 电池SOC定义

电池SOC 指电池的荷电状态。电池SOC 估计是电池管理系统中的一项关键技术，而电池SOC 无法直接测量，只能通过电压、电流、温度等参数间接估算［13］。美国先进电池联合会（USABC）在《电动汽车试验手册》中将电池SOC 定义为：电池在一定放电倍率下，剩余电量和该条件下额定电量的比值［14］。电池SOC计算式为

其中：QC为电池剩余电量；
QI为电池额定电量。SOC常用测量方法有开路电压法和安时积分法。

2.2.2 开路电压法

锂离子电池开路电压（OCV）可以体现电池当前状态的放电能力，根据开路电压-SSOC关系曲线估计SOC的方法称为开路电压法。

由于锂离子电池的开路电压与SSOC之间存在映射关系，因此可以通过测量当前的开路电压值从而得到电池当前的SSOC值。本实验系统中，对所使用的锂离子电池进行放电测试，得到的放电曲线如图2 所示。

图2 测试所得放电曲线

2.2.3 安时积分法

安时积分法又称为电流积分法，即在一段时间内通过电流对时间的积分计算出这段时间内消耗的电荷量，计算式为

其中：SSOCO为初始电池SOC值；
η为库仑效率；
I（t）为t时刻的电流。

安时积分法较为简便，但会出现较大估算误差。在实际应用过程中，通常对安时积分法中的电流和温度进行反馈修正，再结合开路电压法加以估算，从而提高SSOC的估算精度［15］。

2.3 电量估计算法和实现

为了充分考虑锂离子电池电量估计中各种因素的影响，结合实验数据，设计了一套逻辑来分配2 种算法的任务以及权重，从而让2 种算法充分发挥优势，使得SSOC估计值更贴近实际值。图3 为电量估计算法流程图，图4 为电量测量程序。

图3 电量估计算法流程

图4 电量测量程序

开机时读取历史保存值Ssave，并开始计算。在进行充放电时，以安时积分法为主、开路电压法为辅进行电量估算，以加权的形式计算出最后结果。

在充放电结束后，首先出现一个由电池内阻带来的电压回升或降落；
随后，电池内部化学反应逐渐停止，电池结构趋于稳定，电池内极化电容逐渐放电完毕，电压进一步回升或降落。因此，可以在此时通过开路电压对之前计算出的电量进行修正。

放电接近结束时，电压出现急剧下降，这是因为在放电结束时负极反应物的浓度降低，嵌入正极结构中的锂离子增加［16］。此时以负载电压为主要影响因素进行SOC估计，能更好地反映电池状态。

锂离子电池在对负载供电时，由于电池内阻的影响，负载电压会对锂离子电池电压测量产生影响，因此在进行精确测量时需要对负载特性进行估计，并将其影响考虑在内。

3.1 实验平台硬件实现

采用面包板搭建硬件电路，便于快速调试和系统功能验证。搭建的电路如图5 所示。功能调试通过后进行印制电路板的制作与焊接、软件烧录和系统调试。图6 为实验系统的印制电路板电路实物。

图5 面包板搭建的电路

图6 实验系统的印制电路板电路实物

3.2 实验测试

3.2.1 放电测试

使用LED灯进行常规放电测试和过流放电测试，放电测试功能正常。图7 和图8 分别为三灯和两灯并联时的放电实验照片。

图7 三灯并联放电

图8 两灯并联放电

3.2.2 充电测试

采用稳压电源为电池充电。充电电流与放电电流反向，电流采样芯片输送电流数据到单片机，由单片机判定为充电状态。随后，进行恒流充电及充电电流过充测试，系统充电功能正常。图9 和图10 为0.4 A和0.3 A恒流条件下为锂离子电池充电时实验照片。

图9 0.4 A恒流充电

图10 0.3 A恒流充电

系统还可使用太阳能电池板进行充电，太阳能电池板最大功率为3.5 W，最佳输出电流为0.58 A，最佳输出电压为6 V。图11 为系统使用光伏电池充电时的实验照片。光伏电池充电模式下系统功能符合要求。

图11 光伏电池充电时的实验照片

搭建了应用于电气工程专业实验教学的光伏储能实验测量系统，该系统可进行锂离子电池充放电管理、特性测量、电量估计和过热保护，集成了电压、电流、温度、电量四大测量功能。将安时积分法与开路电压法相结合，从电流、电压以及负载特性3 个不同的角度多维度地观测锂离子电池的电量变化。充分考虑了锂离子电池充放电过程中多种因素的影响，通过加权算法以及低电压修正、放电结束修正、充电结束修正等多种修正算法，实现了对锂离子电池更为精确的电量估计。

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