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

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(duì)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(shí)，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(shí)代的發(fā)展，無人機(jī)已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于多個(gè)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(gè)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(shí)充電兩類，實(shí)時(shí)充電耗時(shí)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(jì)了一個(gè)光伏無人機(jī)智能充電站，并對(duì)自行設(shè)計(jì)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(duì)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(jì)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(jì)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(gè)模塊組成。首先，電池?cái)?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(gè)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(duì)電池的電壓、電流和溫度進(jìn)行檢測，當(dāng)符合設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，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(jì)

充放電控制電路包括五個(gè)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(jì)算機(jī)系統(tǒng)的輸出通道與執(zhí)行器相連，實(shí)現(xiàn)對(duì)生產(chǎn)過程的自動(dòng)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(hào)[3]。屏幕顯示模塊通過液晶顯示屏顯示各個(gè)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(hào)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(gè)輸入引腳IN0 至IN7 來對(duì)數(shù)值進(jìn)行存儲(chǔ)，并通過OUT1 至OUT8 八個(gè)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(gè)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(gè)溫度傳感模塊的充放電，該模塊是整個(gè)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)充放電功能的體現(xiàn)。模塊中，以滑動(dòng)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(shí)，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(shí)，停止給該電池充電，并為剩下兩個(gè)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(hào)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(shí)，可以通過檢測到的電流信息來判斷其是否為恒流充電。霍爾電流傳感器如圖4 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(gè)模塊，同樣不可或缺。通過LCD1602 液晶顯示屏顯示各個(gè)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(huì)發(fā)生閃爍的現(xiàn)象，可以較長時(shí)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(dòng)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(gè)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(gè)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(dòng)力。主控模塊如圖6所示。

圖6 主控模塊

3 軟件設(shè)計(jì)

在蓄電池組充放電控制器的設(shè)計(jì)中，控制部件主要選擇AT89C51單片機(jī)，設(shè)計(jì)時(shí)運(yùn)用C語言。設(shè)計(jì)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(hào)確定太陽能電池和蓄電池是否連接到回路中，沒有連接時(shí)電壓采集輸出為0。如果檢測到其中一個(gè)信號(hào)為0，則不進(jìn)行充電控制。當(dāng)兩個(gè)信號(hào)都有電壓時(shí)，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(shí)，則會(huì)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(jì)[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(shí)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(dòng)變阻器阻值為1.3 kΩ 時(shí)，程序停止充電，設(shè)定電池電壓大于4.4 V 時(shí)，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(gè)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(gè)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(gè)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(shí)，即同為30%電阻值，電池溫度低于60 ℃（13%電阻值）時(shí)，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(shí)系統(tǒng)對(duì)電池1 進(jìn)行充電。當(dāng)其中任何一個(gè)電池溫度超過60 ℃時(shí)，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(shí)，對(duì)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(hào)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(duì)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(jì)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(jì)滿足行業(yè)的基礎(chǔ)標(biāo)準(zhǔn)，滿足當(dāng)下對(duì)蓄電池充放電的經(jīng)濟(jì)性和環(huán)保性的要求。同時(shí)，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]。