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        光伏無人機(jī)智能充電站內(nèi)太陽能蓄電池組充放電控制的研究

        2023-08-22 04:15:26楊張鑫潘麗平張智豪
        南方農(nóng)機(jī) 2023年17期
        關(guān)鍵詞:單片機(jī)

        凌 凱 ,楊張鑫 ,丁 菊 ,潘麗平 ,湯 婁 ,張智豪 ,周 舟

        (南通理工學(xué)院電氣與能源工程學(xué)院,江蘇 南通 226001)

        0 引言

        為積極應(yīng)對氣候變化,調(diào)節(jié)能源結(jié)構(gòu),我國持續(xù)推進(jìn)在新能源領(lǐng)域的發(fā)展。同時,現(xiàn)階段的太陽能光伏技術(shù)已經(jīng)十分成熟,光伏發(fā)電技術(shù)中獨(dú)立式光伏發(fā)電主要面向小型負(fù)載,并且其因具有靈活便捷的特點(diǎn)而被應(yīng)用于很多領(lǐng)域。隨著科技時代的發(fā)展,無人機(jī)已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于多個公用事業(yè)領(lǐng)域,比如電力巡檢、農(nóng)田灌溉等,但是無人機(jī)的續(xù)航能力一直是一個不可忽略的問題。如何克服小型無人機(jī)續(xù)航能力低的弱點(diǎn),擴(kuò)大其任務(wù)執(zhí)行范圍,成為小型無人機(jī)廣泛應(yīng)用的關(guān)鍵。目前,解決無人機(jī)續(xù)航問題的措施主要有人工更換電池和實(shí)時充電兩類,實(shí)時充電耗時長、安全性能低,現(xiàn)階段還是多采用人工更換電池的方式。電池能源主要來源于市電,市電中火力發(fā)電還是占較大比例,且需要人力將充好電的多塊電池運(yùn)輸至無人機(jī)工作地點(diǎn)以便更換。因此,在考慮多方面的因素后,研究小組設(shè)計了一個光伏無人機(jī)智能充電站,并對自行設(shè)計的光伏無人機(jī)智能充電站內(nèi)的太陽能蓄電池組充放電控制器展開了研究。

        光伏無人機(jī)智能充電站由太陽能電池組件、控制器、蓄電池等組成。蓄電池與太陽能電池組件的發(fā)展已經(jīng)比較成熟,但由于使用場所的不同,對控制器性能的要求更為多樣化。蓄電池是電力電源系統(tǒng)中直流供電系統(tǒng)的重要組成部分,為電力系統(tǒng)中二次系統(tǒng)負(fù)載提供可靠的電力保障。為了提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性,減少系統(tǒng)故障,延長蓄電池的使用壽命,使系統(tǒng)的效率最大化,設(shè)計由電壓采集、充電控制和放電控制等所構(gòu)成的太陽能蓄電池組充放電控制器[1]。

        1 系統(tǒng)設(shè)計方案

        系統(tǒng)由模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊、溫度傳感模塊、屏幕顯示模塊、電流傳感模塊和主控模塊這五個模塊組成。首先,電池數(shù)據(jù)輸入模數(shù)轉(zhuǎn)換器,模數(shù)轉(zhuǎn)換器采集數(shù)據(jù),將采集到的數(shù)值存入數(shù)組中,再把數(shù)據(jù)輸入至單片機(jī),顯示屏顯示出各個電池的電壓信息和電流信息,接著充電模塊的電壓檢測器、電流檢測器和溫度檢測器對電池的電壓、電流和溫度進(jìn)行檢測,當(dāng)符合設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)時,單片機(jī)控制蓄電池充放電。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

        圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

        2 充放電控制電路設(shè)計

        充放電控制電路包括五個模塊,分別為模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊、溫度傳感模塊、屏幕顯示模塊、電流傳感模塊和主控模塊。模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊將并行二進(jìn)制的數(shù)字量轉(zhuǎn)換為直流電壓或直流電流,用作過程控制計算機(jī)系統(tǒng)的輸出通道與執(zhí)行器相連,實(shí)現(xiàn)對生產(chǎn)過程的自動控制[2]。溫度傳感模塊用于檢測電池溫度,感受溫度并轉(zhuǎn)換成可用輸出信號[3]。屏幕顯示模塊通過液晶顯示屏顯示各個電池的電壓信息和電流信息。電流傳感模塊將檢測到的信息內(nèi)容轉(zhuǎn)化成電信號傳輸至屏幕顯示模塊。主控模塊用單片機(jī)控制蓄電池充放電。

        2.1 模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊

        模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊通過ADC0808 的八個輸入引腳IN0 至IN7 來對數(shù)值進(jìn)行存儲,并通過OUT1 至OUT8 八個輸出位,將轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)傳輸?shù)絾纹瑱C(jī)中,模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊是無人機(jī)充電相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)入系統(tǒng)后進(jìn)行的第一環(huán)節(jié)的處理模塊,是整個系統(tǒng)中最重要的一環(huán)。模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊如圖2所示。

        圖2 模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊

        2.2 溫度傳感模塊

        主控模塊通過charge1、charge2、charge3 等引腳控制著整個溫度傳感模塊的充放電,該模塊是整個系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)充放電功能的體現(xiàn)。模塊中,以滑動變阻器來代替實(shí)現(xiàn)電池溫度及電壓的顯示功能。通常情況下,任何電池溫度大于60 ℃(13%電阻值)時,停止給所有電池充電;當(dāng)被充電電池電壓達(dá)到4.4 V 時,停止給該電池充電,并為剩下兩個電池中電壓值更接近4.4 V的電池充電。溫度傳感模塊如圖3所示。

        圖3 溫度傳感模塊

        2.3 電流傳感模塊

        該模塊采用ACS712 霍爾電流傳感器,霍爾傳感器測量電路和輸出電路完全絕緣[4]。傳感器檢測到被測電流的相關(guān)信息,顯示出電流大小,并將檢測到的信息內(nèi)容轉(zhuǎn)化成電信號傳輸至屏幕顯示模塊,電流傳感模塊在此系統(tǒng)中最大的作用是檢測溫度傳感模塊的穩(wěn)定性,證明系統(tǒng)能夠穩(wěn)定運(yùn)行。同時,可以通過檢測到的電流信息來判斷其是否為恒流充電?;魻栯娏鱾鞲衅魅鐖D4 所示。

        圖4 霍爾電流傳感器

        2.4 屏幕顯示模塊

        屏幕顯示模塊是該系統(tǒng)的最后一環(huán),用于方便監(jiān)控和調(diào)試維修該系統(tǒng)的各個模塊,同樣不可或缺。通過LCD1602 液晶顯示屏顯示各個電池的電壓信息和電流信息,讓系統(tǒng)信息一目了然,一般不會發(fā)生閃爍的現(xiàn)象,可以較長時間維持最佳色彩、亮度。液晶顯示屏的重量更輕,體積更小,并在內(nèi)部驅(qū)動IC,有效降低了功耗,可以降低蓄電池組充放電控制的功耗[5]。屏幕顯示模塊如圖5所示。

        圖5 屏幕顯示模塊

        2.5 主控模塊

        AT89C51單片機(jī)作為主控模塊的核心,承擔(dān)著支配整個充放電系統(tǒng)各模塊任務(wù)的功能,主控模塊作為系統(tǒng)的大腦,從模數(shù)轉(zhuǎn)換器中接收數(shù)據(jù)后,通過判斷數(shù)據(jù)類型等一系列程序,給溫度傳感模塊各組件分配任務(wù),從而實(shí)現(xiàn)溫度傳感模塊的充電功能,因?yàn)樽钪匾耐獠看a是通過AT89C51 單片機(jī)來控制該系統(tǒng)的,因此整個主控模塊也是圍繞單片機(jī)進(jìn)行運(yùn)轉(zhuǎn),其中,各組件也為單片機(jī)提供運(yùn)行動力。主控模塊如圖6所示。

        圖6 主控模塊

        3 軟件設(shè)計

        在蓄電池組充放電控制器的設(shè)計中,控制部件主要選擇AT89C51單片機(jī),設(shè)計時運(yùn)用C語言。設(shè)計的軟件程序包括主程序、電壓采集程序、顯示程序等。

        3.1 主程序

        通過AD0、AD1 信號確定太陽能電池和蓄電池是否連接到回路中,沒有連接時電壓采集輸出為0。如果檢測到其中一個信號為0,則不進(jìn)行充電控制。當(dāng)兩個信號都有電壓時,在沒有連接負(fù)載的情況下,蓄電池開始充電,待充滿后處于浮充狀態(tài),無限循環(huán)。當(dāng)接入負(fù)載后,通過轉(zhuǎn)換開關(guān)切換到放電狀態(tài),進(jìn)行放電控制,但當(dāng)蓄電池電壓下降到設(shè)定的下限或中途負(fù)載被拔掉時,則會停止放電。充放電控制較為類似,這里就只闡述充電控制部分的軟件設(shè)計[6]。主程序流程如圖7所示。

        圖7 主程序流程

        3.2 電壓采集程序

        AD 轉(zhuǎn)換器每5 μs 進(jìn)行一次數(shù)據(jù)收集,將得到的數(shù)據(jù)存入數(shù)組中,同時向電壓采集裝置發(fā)送數(shù)據(jù),電壓采集裝置接收數(shù)據(jù),設(shè)定代表電壓溫度的滑動變阻器阻值為1.3 kΩ 時,程序停止充電,設(shè)定電池電壓大于4.4 V 時,程序停止為該電池充電,4.4 V 即為該電池滿電電壓,有電池滿電后,判斷剩下兩個電池的電壓情況,將電壓較高的電池予以優(yōu)先充電。電壓采集流程如圖8所示。

        圖8 電壓采集流程

        3.3 顯示程序

        設(shè)置液晶工作模式為16*2 行顯示,5*7 點(diǎn)陣,8位數(shù)據(jù),利用LCD1602 液晶顯示屏可以顯示各個電池的電壓信息和電流信息[7],有利于更加直觀地觀察電壓和電流信息,判斷其是否為恒流電流。

        4 功能調(diào)試與分析

        分別以相同電壓下的不同溫度,相同溫度下的不同電壓進(jìn)行檢測,從而觀察各個電池充放電情況并記錄。

        4.1 充放電檢測

        當(dāng)電壓值相同時,即同為30%電阻值,電池溫度低于60 ℃(13%電阻值)時,充放電控制如圖9 所示。電池1 代表溫度的電阻值為5%,電池2 為6%,電池3為7%,此時系統(tǒng)對電池1 進(jìn)行充電。當(dāng)其中任何一個電池溫度超過60 ℃時,充電關(guān)閉。

        圖9 電壓相同情況下的充放電控制

        溫度相同情況下的充放電控制如圖10 所示,當(dāng)溫度相同(皆低于60 ℃)時,對電壓值最高的電池3進(jìn)行充電。

        圖10 溫度相同情況下的充放電控制

        4.2 電流檢測

        傳感器檢測到被測電流的相關(guān)信息,顯示出電流大小,并將檢測到的信息內(nèi)容轉(zhuǎn)化成電信號傳輸至屏幕顯示模塊。通過電流檢測,可以更好地觀察到系統(tǒng)是否為恒流充電,對電池有益,電流檢測示意圖如圖11所示[8]。

        圖11 電流檢測示意圖

        5 總結(jié)

        綜上所述,本文設(shè)計的以AT89C51 單片機(jī)為核心,由電壓采集、充電控制和放電控制等所構(gòu)成的太陽能蓄電池組充放電控制器是可行的。模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊使蓄電池放電后可以快速充電,溫度傳感模塊有效解決了在不同溫度環(huán)境下蓄電池充電的問題,單片機(jī)技術(shù)運(yùn)用于蓄電池組進(jìn)行充放電控制,可以優(yōu)化充放電控制程序,延長蓄電池組的使用壽命[9]。本設(shè)計滿足行業(yè)的基礎(chǔ)標(biāo)準(zhǔn),滿足當(dāng)下對蓄電池充放電的經(jīng)濟(jì)性和環(huán)保性的要求。同時,減少了系統(tǒng)的故障發(fā)生率,延長了蓄電池使用壽命,并提高了系統(tǒng)穩(wěn)定性[10]。

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