北方民族大學(xué) 劉冬輝 唐 吉 馬成虎

1.引言

近年來隨著環(huán)保綠色能源的提倡，清潔能源利用率升高，儲(chǔ)能技術(shù)高速發(fā)展，市場上對儲(chǔ)能裝置的需求逐漸增大。電力儲(chǔ)能裝置有抽水儲(chǔ)能裝置、壓縮空氣儲(chǔ)能裝置、飛輪儲(chǔ)能裝置和蓄電池儲(chǔ)能裝置等，蓄電池儲(chǔ)能裝置有成本低、可回收利用、維護(hù)簡單、體積小特點(diǎn)被大量應(yīng)用在工廠供電、農(nóng)業(yè)機(jī)械用電、航海供電、醫(yī)用器械等領(lǐng)域。

蓄電池儲(chǔ)能裝置主要用于電能存儲(chǔ)和電力變換，由蓄電池和充放電控制器兩部分組成。

充放電控制器由低成本電池管理芯片及外圍電路構(gòu)成，通過檢測蓄電池電壓信號，控制蓄電池充放電電路實(shí)現(xiàn)蓄電池先恒流后恒壓充電和恒電壓放電模式。蓄電池在長期使用過程中容易受過充電、過放電、高溫下充電等誤操作影響導(dǎo)致電解液和電極受損，充電時(shí)間加長，儲(chǔ)能效率降低。蓄電池儲(chǔ)能控制器通過控制蓄電池充放電模式和蓄電池內(nèi)部運(yùn)行參數(shù)檢測保護(hù)模塊保證蓄電池高效穩(wěn)定運(yùn)行，提高蓄電池儲(chǔ)能效率，防止蓄電池過充電、過放電、高溫充電等誤操作損壞蓄電池。

2.蓄電池儲(chǔ)能控制器充放電原理

蓄電池儲(chǔ)能控制器控制蓄電池充電狀態(tài)與放電狀態(tài)的自動(dòng)切換，充電狀態(tài)下儲(chǔ)能控制器檢測充電電壓值，控制蓄電池充電電流和電壓經(jīng)PID控制器組成串聯(lián)反饋控制系統(tǒng)，保持充電電流、電壓值恒定[1]；放電狀態(tài)下儲(chǔ)能控制器采集蓄電池輸出電壓值作為反饋量，由PI控制器調(diào)節(jié)實(shí)際輸出電壓值構(gòu)成串聯(lián)負(fù)反饋系統(tǒng)，設(shè)定輸出電壓理想值，控制蓄電池放電狀態(tài)保持恒定輸出[2]。

2.1 蓄電池充電控制原理

充電電流經(jīng)過濾波電路降低電流波紋輸入蓄電池充電電路，蓄電池充電過程分為兩個(gè)過程。首先恒電流充電，充電控制部分采用了電流閉環(huán)反饋系統(tǒng)控制蓄電池充電電流恒定輸入蓄電池[3]，待蓄電池可接受電流能力達(dá)到一定程度時(shí)轉(zhuǎn)為恒電流恒電壓充電，轉(zhuǎn)換過程中應(yīng)保持充電電流電壓[4]平穩(wěn)過渡，由電壓閉環(huán)反饋系統(tǒng)控制蓄電池充電電壓保持恒定，直至電流閉環(huán)反饋系統(tǒng)穩(wěn)定，蓄電池保持恒電流恒電壓充電。

2.2 蓄電池放電控制原理

蓄電池正常放電隨時(shí)間變化，輸出電壓值逐漸降低，經(jīng)過DC/DC變換電路將蓄電池輸出電壓穩(wěn)定并變換為正常供電電壓，由放電控制部分將蓄電池輸出電壓值作為輸入量，DC/DC變換電路輸出作為輸出量構(gòu)成電壓串聯(lián)負(fù)反饋控制系統(tǒng)，保持放電電路輸出電壓恒定。

2.3 蓄電池充放電切換原理

蓄電池儲(chǔ)能控制器檢測待機(jī)模式下蓄電池電量，經(jīng)手動(dòng)充電參數(shù)設(shè)定，由蓄電池儲(chǔ)能控制器判定蓄電池電量能否保證蓄電池儲(chǔ)能裝置正常穩(wěn)定運(yùn)行，對比蓄電池充電歷史數(shù)據(jù)[5]，自動(dòng)優(yōu)化蓄電池充放電切換策略，提高蓄電池運(yùn)行穩(wěn)定性。

3.蓄電池保護(hù)原理

蓄電池誤操作大部分由人為因素造成，導(dǎo)致蓄電池內(nèi)部受損[6]，蓄電池儲(chǔ)能控制器通過蓄電池內(nèi)部溫度檢測部分、內(nèi)部電解液比重檢測部分、電量采集部分和光耦隔離部分防止蓄電池受損，利用Cortex-M4的高頻運(yùn)行特點(diǎn)，結(jié)合高精度AD電壓采集模塊完成對蓄電池充放電過程中蓄電池電能參數(shù)準(zhǔn)確高效的數(shù)據(jù)采集。

3.1 蓄電池內(nèi)部保護(hù)原理

蓄電池內(nèi)設(shè)溫度傳感器和電解液比重傳感器檢測蓄電池工作溫度值和電解液濃度值[7]，由蓄電池儲(chǔ)能控制器判斷電解液溫度是否處于正常工作范圍內(nèi)，若參數(shù)超出正常工作范圍，及時(shí)關(guān)閉蓄電池運(yùn)行狀態(tài)，防止蓄電池高溫充電[8]；定時(shí)檢查電解液濃度值，若電解液濃度過低，由蓄電池儲(chǔ)能控制器控制電解液濃度過低報(bào)警裝置提示電解液更換。

3.2 蓄電池外圍保護(hù)原理

蓄電池儲(chǔ)能控制器高精度AD電流采集模塊將蓄電池正極輸出電流值與設(shè)定值快速比較，若輸出電流超出預(yù)設(shè)電流范圍，由蓄電池儲(chǔ)能控制器控制電源切除裝置動(dòng)作，防止蓄電池短路；蓄電池剩余電量采集模塊檢測蓄電池電量[9]值反饋到Cortex-M4芯片控制器與設(shè)定電量極值比較，若不滿足預(yù)設(shè)電量范圍，控制控制電源切除裝置動(dòng)作，保持蓄電池工作在合適電量范圍內(nèi)。

4.結(jié)束語

本文采用Cortex-M4芯片及其外設(shè)電路構(gòu)成蓄電池儲(chǔ)能控制器控制蓄電池恒電壓恒電流充電和恒電壓放電，利用外設(shè)電路檢測蓄電池運(yùn)行狀態(tài)避免蓄電池高溫充電、過充電、過放電和電解液低，影響蓄電池儲(chǔ)能效率，提高蓄電池運(yùn)行穩(wěn)定性。

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