張商州

（商洛學(xué)院電子信息與電氣工程學(xué)院，陜西商洛 726000）

蓄電池效率測(cè)試系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

張商州

（商洛學(xué)院電子信息與電氣工程學(xué)院，陜西商洛 726000）

基于單片機(jī)設(shè)計(jì)了蓄電池效率測(cè)試系統(tǒng)，給出了硬件電路和控制程序的設(shè)計(jì)。在測(cè)試系統(tǒng)中接入蓄電池進(jìn)行測(cè)試，記錄了蓄電池的吸收電量和釋放電量，以及在充電過(guò)程中的端電壓和電流，通過(guò)單片機(jī)計(jì)算出了蓄電池的效率為83.01%，驗(yàn)證了測(cè)試系統(tǒng)的可行性。

蓄電池；充放電量；測(cè)試系統(tǒng)

蓄電池作為能量存儲(chǔ)的設(shè)備應(yīng)用在很多場(chǎng)合，如作為電力系統(tǒng)的后備電源、電動(dòng)汽車(chē)、新能源發(fā)電等，根據(jù)需要蓄電池可以將電能轉(zhuǎn)化成內(nèi)部的化學(xué)能進(jìn)行儲(chǔ)存，也可以通過(guò)化學(xué)反應(yīng)將電能釋放出來(lái)［1］。因此，蓄電池的高效性、可靠性、安全性直接影響系統(tǒng)的運(yùn)行結(jié)果［2］。目前在現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)中并沒(méi)有對(duì)蓄電池效率制定具體的要求，所以對(duì)蓄電池測(cè)試的儀器和方法多集中在內(nèi)阻測(cè)量、荷電狀態(tài)測(cè)量、內(nèi)壓測(cè)量等，缺少對(duì)蓄電池效率測(cè)試的儀器［3-4］。蓄電池作為能量存儲(chǔ)設(shè)備不可能做到能量100%的轉(zhuǎn)換，蓄電池效率的高低對(duì)其壽命和儲(chǔ)電量都有一定的影響，特別在不完全充電和深度放電狀態(tài)下，對(duì)其壽命影響更大，所以需要對(duì)蓄電池效率進(jìn)行測(cè)量，隨時(shí)掌握蓄電池工作狀況及時(shí)更換蓄電池，提高系統(tǒng)的用電效率［5］。本文基于單片機(jī)設(shè)計(jì)了一套測(cè)試蓄電池效率的系統(tǒng)，通過(guò)該系統(tǒng)可以測(cè)試蓄電池效率也可以對(duì)影響效率的各個(gè)因素進(jìn)行分析，進(jìn)而改進(jìn)蓄電池的充電電路，提高蓄電池儲(chǔ)能效率。

1　測(cè)試系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)

根據(jù)文獻(xiàn)［3］和文獻(xiàn)［4］對(duì)蓄電池充電效率、放電效率、庫(kù)倫效率等的定義可以得出蓄電池的效率實(shí)際可以用蓄電池的放電量與其充電量的比值來(lái)計(jì)算，如果忽略導(dǎo)線(xiàn)、充電器的影響，蓄電池效率為：

根據(jù)這一原理得出測(cè)試系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原理圖，見(jiàn)圖1。

圖1　蓄電池效率測(cè)試系統(tǒng)原理圖

系統(tǒng)的功能單元有：充電單元、控制單元、放電單元、計(jì)量單元等。由單片機(jī)作為控制核心，通過(guò)控制單元控制蓄電池的充放電和數(shù)據(jù)的處理，避免蓄電池在充放電過(guò)程中的過(guò)充電和過(guò)放電；充電單元由電流可調(diào)充電器實(shí)現(xiàn)，放電單元為常用負(fù)載，該部分主要完成對(duì)蓄電池的充放電；計(jì)量單元采用單相電能表用來(lái)測(cè)量蓄電池獲取和釋放的電量［3］。

2　測(cè)試系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)

該測(cè)試系統(tǒng)主要完成對(duì)蓄電池效率的測(cè)試，通過(guò)測(cè)量蓄電池充電和放電量，利用單片機(jī)結(jié)合相應(yīng)的算法進(jìn)行效率的計(jì)算，將最終結(jié)果顯示出來(lái)，系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)框圖見(jiàn)圖2。

圖2　蓄電池測(cè)試系統(tǒng)硬件電路框圖

2.1采樣電路

采樣主要包括蓄電池在充放電過(guò)程中的端電壓、電流，從電源獲取的電量和釋放的電量。電壓采樣使用HNV025A霍爾電壓傳感器，其可對(duì)直流、交流、不規(guī)則電壓進(jìn)行檢測(cè)，經(jīng)測(cè)試蓄電池在充放電的過(guò)程中電壓在10～16 V變化，為了使傳感器輸入電流在額定值附近，在電路中串聯(lián)1.2 KΩ電阻，經(jīng)傳感器轉(zhuǎn)換輸出電流為20.75～33.25 mA，滿(mǎn)足AD轉(zhuǎn)換條件［7］。電流采樣使用CS040GT電流傳感器，測(cè)量范圍為±80 A，具有較高的測(cè)量精度。充電量和放電量采樣使用SDM640單相智能電表，該電表具有RS485接口，能夠與上位機(jī)進(jìn)行通訊［5］。將采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行AD轉(zhuǎn)換（PCF8591）送入單片機(jī)，供單片機(jī)使用。具體的采樣電路見(jiàn)圖3。

圖3　采樣電路圖

2.2電源電路

在測(cè)試系統(tǒng)中需要為一些元件進(jìn)行供電，首先采用開(kāi)關(guān)電源獲取24 V直流供電，經(jīng)過(guò)K2415S-3W轉(zhuǎn)換為±15 V直流電，再分別利用LM317和LM7805得到12 V和5 V直流電。由于LM317為輸出可調(diào)穩(wěn)壓電源，為得到12 V電源需要外界電阻進(jìn)行輸出調(diào)節(jié)，其輸出電壓為Vout=1.25×（1+R2/R3），經(jīng)計(jì)算選取R2和R3分別為2 KΩ和240 Ω。在各穩(wěn)壓芯片輸出需加大電容進(jìn)行保護(hù)，此外為了穩(wěn)壓芯片能較好的工作需額外配備散熱芯片。具體電路見(jiàn)圖4。

圖4　電源電路

2.3人機(jī)交互

人機(jī)交互由按鍵電路、顯示電路和單片機(jī)組成。

按鍵電路主要完成系統(tǒng)的復(fù)位、測(cè)試的開(kāi)始與停止，也可通過(guò)按鍵來(lái)切換顯示屏的顯示內(nèi)容。顯示電路選用LCD12864顯示屏，將顯示屏的管腳與單片機(jī)連接，能夠?qū)π铍姵囟穗妷?、電流、電量等顯示。選用89C52單片機(jī)作為主控芯片，其內(nèi)部集成專(zhuān)用復(fù)位電路，8路高速A/D轉(zhuǎn)換，3個(gè)定時(shí)計(jì)數(shù)器和5個(gè)終端等，成本低、抗干擾能力強(qiáng)［8］。

3　軟件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)采用基于Keil的C語(yǔ)言進(jìn)行程序的編寫(xiě)和調(diào)試，系統(tǒng)工作的流程圖如圖5所示，在測(cè)試過(guò)程中通過(guò)對(duì)蓄電池性能的研究，在蓄電池放電過(guò)程中當(dāng)端電壓小于10.5 V時(shí)為避免過(guò)放電結(jié)束放電，在蓄電池充電過(guò)程中當(dāng)充電電流小于0.3 A時(shí)為避免過(guò)充電結(jié)束充電。

系統(tǒng)開(kāi)始測(cè)試之后首先進(jìn)行初始化，其次檢測(cè)蓄電池端電壓，以10.5 V為標(biāo)準(zhǔn)，若電壓大于10.5 V說(shuō)明蓄電池未完全放電需要進(jìn)行放電。在放電結(jié)束充電開(kāi)始時(shí)記錄此時(shí)電表讀數(shù)Q1，充電由充電器完成，以充電電流等于0.3 A作為充電完成的標(biāo)準(zhǔn)，記錄此時(shí)電表讀數(shù)Q2。再次對(duì)蓄電池進(jìn)行放電，當(dāng)檢測(cè)到蓄電池端電壓為10.5 V時(shí)結(jié)束放電，記錄電表讀數(shù)Q3。將記錄數(shù)據(jù)傳輸給單片機(jī)，由單片機(jī)計(jì)算該蓄電池的效率（Q3-Q2）/（Q2-Q1）×100%，并顯示結(jié)果。

圖5　系統(tǒng)程序流程圖

4　系統(tǒng)測(cè)試

利用該測(cè)試系統(tǒng)對(duì)蓄電池進(jìn)行測(cè)試，蓄電池選用12 V，60 Ah免維護(hù)鉛酸蓄電池，忽略充電過(guò)程中導(dǎo)線(xiàn)、逆變器、充電器等造成的損耗，根據(jù)采樣電路中單相電表記錄的數(shù)據(jù)可以得出蓄電池在充放電過(guò)程中的充電量和放電量，進(jìn)而可以計(jì)算出該蓄電池的效率，得出測(cè)試數(shù)據(jù)見(jiàn)表1。

表1　蓄電池效率測(cè)試

表1說(shuō)明在忽略線(xiàn)路損耗之后，該蓄電池的從系統(tǒng)電源獲取的電量為0.53 kWh，而釋放出的電量只有0.44 kWh，蓄電池不可能做到能量的100%轉(zhuǎn)換，該蓄電池的效率經(jīng)檢測(cè)為83.01%。該組數(shù)據(jù)是在使用不同充電電流進(jìn)行充電后效率最高的一組數(shù)據(jù)，為了后續(xù)對(duì)充電方式的研究可設(shè)計(jì)測(cè)試系統(tǒng)每隔10 min進(jìn)行一次充電電流和電壓的記錄，記錄在充電過(guò)程中蓄電池端電壓和充電電流的變化，見(jiàn)圖6，這些數(shù)據(jù)可作為后續(xù)充電方式優(yōu)化的依據(jù)。

圖6　蓄電池充電過(guò)程中端電壓與充電電流的變化

5　結(jié)論

本文基于單片機(jī)設(shè)計(jì)了一種蓄電池效率的測(cè)試系統(tǒng)，從硬件和軟件給出了設(shè)計(jì)思路，并接入蓄電池進(jìn)行了測(cè)試，驗(yàn)證了該測(cè)試系統(tǒng)的可行性，為以后蓄電池性能測(cè)試奠定了良好的基礎(chǔ)。但是在測(cè)試中仍存在一定的誤差，測(cè)試只能在蓄電池?cái)嚅_(kāi)工作狀態(tài)之下進(jìn)行，對(duì)容量較大的蓄電池測(cè)試時(shí)間較長(zhǎng)。在今后的工作中需要對(duì)以上的不足進(jìn)行改進(jìn)，力求測(cè)出更準(zhǔn)確的蓄電池效率。

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（責(zé)任編輯：李堆淑）

A Design and Implementation of Battery Efficiency Testing System

ZHANG Shang-zhou
（College of Electronic Information and Electrical Engineering，Shangluo University，Shangluo 726000，Shaanxi））

The battery energy storage efficiency testing system based on microcontroller is designed，and the hardware circuit and control program are given.The system is used to test the battery，record the absorption capacity and release capacity of the battery，as well as the terminal voltage and current in the charging process are recorded，through the microcontroller to calculate the efficiency of battery is 83.01%，and the feasibility of the test system is verified.

battery；charge and discharge capacity；test system

TP309

A

1674-0033（2016）04-0013-04

10.13440/j.slxy.1674-0033.2016.04.005

2016-03-10

商洛市科學(xué)技術(shù)研究項(xiàng)目（SK2014-01-01）

張商州，男，陜西商州人，碩士，助教