一種離網光伏發電系統中蓄電池電量監測裝置的製作方法

2023-06-07 06:50:31

專利名稱：一種離網光伏發電系統中蓄電池電量監測裝置的製作方法
技術領域：
本發明涉及蓄電池電量監測的領域，尤其是一種離網光伏發電系統中蓄電池電量監測裝置。
背景技術：
在離網光伏發電系統中，蓄電池是儲能部件的優先選擇。蓄電池當前電量的多少直接影響著可帶負載的工作時長，也是提醒用戶及時切斷負載的重要依據，因此蓄電池電量是光伏系統運行狀態的重要參數，設計一種監測蓄電池電量的裝置就顯得十分必要。監測蓄電池電量和很多辦法，其中基於電流對時間積分即安時計的辦法是很直觀、具有可操作性。但是蓄電池的本身的容量就隨著使用年限的增加、溫度變化、放電率大 小等因素的影響而發生改變，即蓄電池滿電時的電量是時刻在發生變化的。又因溫度、放電率(放電電流的大小)等條件的不同，蓄電池放電電壓低至規定的截止電壓時其剩餘電量是不一致的。因此，這種基於安時計的方法如何指示蓄電池當前電量，給用戶提供蓄電池當前電量的有效信息成為眾多科技工作者關注的事情。

發明內容
本發明要解決的技術問題是為了克服上述中存在的問題，提供一種離網光伏發電系統中蓄電池電量監測裝置，能夠有效地控制蓄電池蓄電容量的易變性和剩餘電量的不確定性，為使用含有浮充或者恆壓充電方式的用戶提供有效的蓄電池電量信息，在蓄電池電量累計達到上次修正容量的80%以上時，如果PV電壓存在，蓄電池充電電壓沒有大的變化，並且蓄電池的充電電流以一個數值很小的電流維持了一段時間，就認為蓄電池已經充滿電，電量為100%，此時將蓄電池的滿電容量(程序初始化時蓄電池的額定安時)修正為當前電量。本發明解決其技術問題所採用的技術方案是一種離網光伏發電系統中蓄電池電量監測裝置，包括電源電路、與電源電路相連接的單片機MCU、蓄電池電壓採集電路、蓄電池電流採集電路、太陽能電池組件電壓採集電路、掉電電量數據存儲電路和電量信息指示，電源電路的輸入端連接蓄電池，為其它所有電路提供能量，所述的單片機MCU內設置有第一模數轉換器、第二模數轉換器、第三模數轉換器和乘法器，所述的蓄電池電壓採集電路與第一模數轉換器相連接，太陽能電池組件電壓採集電路與第二模數轉換器相連接，蓄電池電流採集電路與第三模數轉換器相連接，掉電電量數據存儲電路與單片機MCU雙向連接，電量信息指示與單片機MCU輸出端相連接，在蓄電池放電至規定的截止電壓時，給用戶顯示的不再是蓄電池當前電量的大小，而是到截止電壓時蓄電池的放電電流的大小和放電至截止電壓的信息，放電電流越大，剩餘電量越大，當用戶獲得信息是大電流放電時，可以選擇以小負載放電或者及時充電，而釋放的信息是以小電流放電時，即是提醒用戶必須及時充電。所述的蓄電池電壓採集電路包括電阻分壓、第一隔離跟隨電路和與第一模數轉換器相連接的第一濾波電路，電阻分壓輸出端與第一隔離跟隨電路相連接，第一隔離跟隨電路與第一濾波電路相連接。所述的太陽能電池組件電壓採集電路包括光耦電壓轉換電路、第二隔離跟隨電路和與第二模數轉換器相連接的第二濾波電路，光耦電壓轉換電路輸出端與第二隔離跟隨電路相連接，第二隔離跟隨電路與第二濾波電路相連接。所述的蓄電池電流採集電路包括I/V轉換電路、加法電路和與第三模數轉換器相連接的第三濾波電路，I/V轉換電路與加法電路相連接，加法電路與第三濾波電路相連接。 所述的電量信息指示包括LED指示燈和與LED指示燈串聯的電阻，LED指示燈通過電阻與單片機MCU的I/O 口相連接，LED指示燈的個數代表剩餘電量的範圍，放電至截止電壓時，以LED指示燈閃爍的個數代表放電率的情況。本發明的有益效果是，本發明的一種離網光伏發電系統中蓄電池電量監測裝置，採用此種設計，能夠有效地解決了蓄電池電量易變性的問題，準確判斷了蓄電池的滿電狀態，放電至截止電壓時，LED指示燈的閃爍情況顯示了放電率，用戶可以根據LED指示燈閃爍的個數估測蓄電池剩餘電量的大小。


下面結合附圖和實施例對本發明進一步說明。圖I是本發明的結構框圖；圖2是本發明的蓄電池電量監測硬體的電路原理圖；圖3是本發明的單片機主程序流程示意圖；圖4是本發明的蓄電池電量監測裝置應用示意圖；圖5是本發明的蓄電池充電曲線示意圖；圖6是本發明的蓄電池放電曲線示意圖。圖中I.電源電路，2.單片機MCU，21.第一模數轉換器，22.第二模數轉換器，23.第三模數轉換器，24.乘法器，3.蓄電池電壓採集電路，31.電阻分壓，32.第一隔離跟隨電路，33.第一濾波電路，4.太陽能電池組件電壓採集電路，41.光耦電壓轉換電路，42.第二隔離跟隨電路，43.第二濾波電路，5.蓄電池電流採集電路，51. I/V轉換電路，52.加法電路，53.第三濾波電路，6.掉電電量數據存儲電路，7.電量信息指示，71. LED指示燈，72.電阻。
具體實施例方式現在結合附圖對本發明作進一步詳細的說明。這些附圖均為簡化的示意圖，僅以示意方式說明本發明的基本結構，因此其僅顯示與本發明有關的構成。如圖I所示的一種離網光伏發電系統中蓄電池電量監測裝置，包括電源電路1，電源電路I與單片機MUC2相連接，電源電路I的輸入端取自蓄電池，為其所有電路提供能量供給，蓄電池電壓採集電路3、太陽能電池組件電壓採集電路4、蓄電池電流採集電路5、掉電電量數據存儲電路6和電量信息指示7，單片機MCU2內設置有第一模數轉換器21、第二模數轉換器22、第三模數轉換器23和乘法器24，蓄電池電壓採集電路3內的第一濾波電路33與第一模數轉換器21相連接，第一濾波電路33與第一隔離跟隨電路32相連接，第一隔離跟隨電路32與電阻分壓31相連接，太陽能電池組件電壓採集電路4內的第二濾波電路43與第二模數轉換器22相連接，第二濾波電路(43與第二隔離跟隨電路(42相連接，第二隔離跟隨電路42與光耦電壓轉換電路41相連接，蓄電池電流採集電路5內的第三濾波電路53與第三模數轉換器23相連接，第三濾波電路53與加法電路52相連接，加法電路52與I/V轉換電路51相連接，掉電電量數據存儲電路6與單片機MCU2雙向連接，電量信息指示7與單片機MCU2輸出端相連接，電量信息指示7包括LED指示燈71和與LED指示燈71串聯的電阻72，LED指示燈71通過電阻72與單片機MCU2的I/O 口相連接。如圖2所示的一種離網光伏發電系統中蓄電池電量監測裝置，單片機MCU是主控晶片，單片機MCU內置12位模數轉換器ADC和一個硬體乘法器，可以滿足本發明的數據採集需要和數據運算要求，蓄電池電流採集電路(Battery current sensor)是本發明最重要的數據採集電路，該電路使用高精密運算放大器0P07，電阻採用低溫漂精密電阻，運放OPlA和電阻Rl、R2、R3、R22組成第一級I/V數據轉換電路，蓄電池充電時，電流從三角形「地」流向虛線標示「地」，I/V數據轉換電路輸出正極性電壓，蓄電池放電時，電流從虛線標示「地」流向三角形「地」，I/V數據轉換電路輸出負極性電壓，電壓絕對值的大小代表蓄電池充放電電流的大小，運放0P3A和電阻R25、R26、R27、R28組成加法運算電路，該級電路將前級負極性電壓轉換為正極性電壓，以便電壓落在單片機模數轉換器ADC可接受的電壓範圍內，為了消除電路的其他噪聲信號，在加法電路和ADC之間增加一級由運放0P2A、電阻R4、 R5、R6、R19和電容C18、C19組成的二階低通濾波器，不同的充放電電流大小對應不同的ADC轉換值，放電和充電的ADC值正好處於兩極區間。蓄電池電壓採集電路(Battery voltagesensor)和太陽能電池組件電壓採集電路(PV voltage sensor)是本系統必要的輔助電路。在蓄電池電壓採集電路中，R23和R24組成蓄電池電壓分壓電路，經過運放ARlB的隔離跟隨進入由運放AR1A、電阻R9、R11、R12、R13和電容C13、C14組成的二階低通濾波器，隨後進入單片機模數轉換器ADC，在太陽能電池組件電壓採集電路中，由於很多光伏發電系統是太陽能電池的正極和蓄電池的正極連接在一起，負極是相互隔離的，相差一定的電勢，因此，採用線性光耦PC817採集太陽能電池組件的電壓，後續的處理電路和蓄電池電壓採集電路一致。用五個LED指示燈指示當前的蓄電池電量，LED和電阻串聯，由單片機的I/O 口直接驅動。五盞LED指示燈亮表示當前蓄電池電量在前一次修正容量的80%到100%，四盞LED指示燈亮表示當前蓄電池電量在前一次修正容量的60%到80%,三蓋LED指示燈亮表示當前蓄電池電量在前一次修正容量的40%到60%,兩蓋LED指示燈亮表示當前蓄電池電量在前一次修正容量的20%到40%，一盞LED指示燈亮表示當前蓄電池電量在前一次修正容量的0%到20%, LED指示燈全滅,對於絕大多數鉛酸蓄電池或者膠體蓄電池，是不被允許的，更多的時候，LED靜態顯示時，應該有一盞以上的LED指示燈是亮著的。放電至截止電壓時，LED會閃爍，一盞LED指示燈閃爍表示以小於0. 05C的電流放電，兩盞LED指示燈閃爍表示以介於0. 05C和0. IC的電流放電，三盞LED指示燈閃爍表示以介於0. IC和0. 2C的電流放電，四盞LED指示燈閃爍表示以介於0. 2C和0. 3C的電流放電，五盞LED指示燈閃爍表示以大於0. 3C的電流放電。在具體實施過程中，首先要對單片機模數轉換器AD轉換值和被測參量之間的關係進行標定，由於採用的都是線性電路，AD轉換值和被測參量之間存在線性關係，以蓄電池電壓採集電路為例，單片機模數轉換器的AD轉換值通過232串口發送到PC機的串口調試助手軟體上，記錄實際電壓對應的AD值，得到下表
i Iif I=Al)
23,07A73
24 IoAlj I
25.05B5A 26,13BDB
27C3D
28.OHVBH
29.￡>02B 狐 12 DAG在Istopt軟體中，對以上數據進行一次方程的擬合，得到關係式蓄電池電壓=0.00861517874550284*AD+0. 01759633824197將這一關係式寫進單片機程序，即單片機一旦得到AD值，經過該關係式運算就得到了蓄電池電壓測量值。單片機是整個電路的中樞，它負責數據的採集、運算、判斷和電量信息的輸出控制，在具體實踐中，中斷程序負責數據的採集和掉電數據的存儲，而主程序部分則是按圖3所示運行，系統一上電，首先是單片機的初始化(包括讀取存儲在存儲器中的蓄電池電量數據)，然後單片機的主程序進入死循環，在死循環中，如果蓄電池放電至規定的截止電壓，LED指示燈的指示和「充電數據處理及電量指示」和「放電數據處理及電量指示」中的電量指示沒有關係，LED只根據放電至截止電壓時的放電電流閃爍LED的個數，而蓄電池一旦出現充電，LED指示燈不再閃爍；接著單片機主程序進入「滿電量處理程序」，在這個程序塊，單片機首先檢測PV電壓是否高於蓄電池電壓，判斷蓄電池是否處於充電狀態並且電量大於80%，在此基礎上，單片機檢驗蓄電池充電電流是否以很小的值維持了一段時間，如果是，則判斷蓄電池已經充滿電，這時候程序修改蓄電池的滿電容量；之後單片機程序進入「放電數據處理及電量指示」程序段，在這個程序段中，蓄電池電量的減少將被精確記錄，LED指示燈滅掉的個數，則準確顯示了蓄電池電量的減少量，如果蓄電池放電電壓低至規定的截止電壓，該程序段會記錄這一信息，並在下一個循環周期將這一信息帶入「放電截止LED指示」程序段；緊接著單片機程序進入「充電數據處理及電量指示」程序段，該程序段精確顯示了蓄電池電量的增加量，LED指示燈多點亮的個數準確反映了這一過程；之後程序進入下一次循環。至此，整個蓄電池電量監測電路敘述完畢。將上述蓄電池電量監測電路應用在圖4所示的離網光伏發電系統中，為了得到更詳細的結果，將單片機MCU的串口引至PC機，PC機的接收軟體由VB編寫，VB將接收的數據寫入TXT文件，再由MATLAB讀取數據進行處理。太陽能電池給蓄電池充電的曲線，如圖5所示，由曲線可以看見，充電至3. 65個小時的時候，蓄電池充電電流current降低到很小的一個值，並且在這個值附近維持了一段時間，程序設置為這種狀態保持半小時即可認為蓄電池已經達到充電飽和狀態，即圖中顯示的電量charge的數值達到1，充電至約0. 7小時的時候，雖然充電電流也以一個很小的值維持了一段時間，但是不足半小時，並且蓄電池充電電壓有一個較大的降落，因此程序沒有誤判蓄電池電量為充滿狀態，蓄電池充滿電的電量值是48. 395AH，而不是蓄電池的額定安時50AH，48. 395AH將做為程序下面繼續運行時的蓄電池的修正容量，曲線中表示的LED指示燈個數(LED num)由電量的相對值決定的,數據記錄的LED num值和實驗中觀察到的一致。無太陽能電池情況下的蓄電池放電曲線，如圖6所示，在一個多小時的放電過程中，放電電流current發生幾次改變,蓄電池電壓voltage也隨之做反方向的波動,但是蓄電池電量charge呈單調減小趨勢，放電至I. 315小時時，控制器關閉負載輸出端，放電電流為0，蓄電池電壓迅速回升，同時在實驗中觀察到有4盞LED指示燈在閃爍。隨後一段時間，將太陽能電池接進系統，即圖4所示的系統，4盞LED指示燈停止閃爍，並且恢復到只有兩盞LED指示燈正常電量狀態。由上面的敘述可見，LED指示燈準確顯示了蓄電池電量的變化情況，準確判斷了蓄 電池的滿電狀態，放電至截止電壓時，LED指示燈的閃爍情況顯示了放電率，用戶根據LED指示燈閃爍的個數估測蓄電池剩餘電量的大小，增加了用戶體驗。以上述依據本發明的理想實施例為啟示，通過上述的說明內容，相關工作人員完全可以在不偏離本項發明技術思想的範圍內，進行多樣的變更以及修改。本項發明的技術性範圍並不局限於說明書上的內容，必須要根據權利要求範圍來確定其技術性範圍。
權利要求
1.一種離網光伏發電系統中蓄電池電量監測裝置，其特徵是包括電源電路(I)、與電源電路(I)相連接的單片機MCU (2)、蓄電池電壓採集電路(3)、太陽能電池組件電壓採集電路(4)、蓄電池電流採集電路(5)、掉電電量數據存儲電路(6)和電量信息指示(7)，所述的單片機MCU (2)內設置有第一模數轉換器(21)、第二模數轉換器(22)、第三模數轉換器(23)和乘法器(24)，所述的蓄電池電壓採集電路(3)與第一模數轉換器(21)相連接，太陽能電池組件電壓採集電路(4)與第二模數轉換器(22)相連接，蓄電池電流採集電路(5)與第三模數轉換器(23)相連接，掉電電量數據存儲電路(6)與單片機MCU (2)雙向連接，電量信息指示(7)與單片機MCU (2)輸出端相連接。
2.根據權利要求I所述的ー種離網光伏發電系統中蓄電池電量監測裝置，其特徵是所述的蓄電池電壓採集電路(3)包括電阻分壓(31)、第一隔離跟隨電路(32)和與第一模數轉換器(21)相連接的第一濾波電路(33)，電阻分壓(31)輸出端與第一隔離跟隨電路(32)相連接，第一隔離跟隨電路(32)與第一濾波電路(33)相連接。
3.根據權利要求I所述的ー種離網光伏發電系統中蓄電池電量監測裝置，其特徵是 所述的太陽能電池組件電壓採集電路(4)包括光耦電壓轉換電路(41)、第二隔離跟隨電路(42)和與第二模數轉換器(22)相連接的第二濾波電路(43)，光耦電壓轉換電路(41)輸出端與第二隔離跟隨電路(42)相連接，第二隔離跟隨電路(42)與第二濾波電路(43)相連接。
4.根據權利要求I所述的ー種離網光伏發電系統中蓄電池電量監測裝置，其特徵是所述的蓄電池電流採集電路(5 )包括I/V轉換電路(51)、加法電路(52 )和與第三模數轉換器(23)相連接的第三濾波電路(53)，I/V轉換電路(51)與加法電路(52)相連接，加法電路(52)與第三濾波電路(53)相連接。
5.根據權利要求I所述的ー種離網光伏發電系統中蓄電池電量監測裝置，其特徵是所述的電量信息指示(7 )包括LED指示燈(71)和與LED指示燈(71)串聯的電阻(72 )，LED指示燈(71)通過電阻(72)與單片機MCU (2)的I/O ロ相連接。
全文摘要
本發明涉及一種離網光伏發電系統中蓄電池電量監測裝置，單片機MCU內設置有第一模數轉換器、第二模數轉換器、第三模數轉換器和乘法器，所述的蓄電池電壓採集電路與第一模數轉換器相連接，太陽能電池組件電壓採集電路與第二模數轉換器相連接，蓄電池電流採集電路與第三模數轉換器相連接，掉電電量數據存儲電路與單片機MCU雙向連接，電量信息指示與單片機MCU輸出端相連接。本發明的一種離網光伏發電系統中蓄電池電量監測裝置，採用此種設計，能夠有效地解決了蓄電池電量易變性的問題，準確判斷了蓄電池的滿電狀態,放電至截止電壓時，LED指示燈的閃爍情況顯示了放電率，用戶根據LED指示燈閃爍的個數估測蓄電池剩餘電量的大小。
文檔編號G01R31/36GK102768342SQ201210258928
公開日2012年11月7日 申請日期2012年7月25日 優先權日2012年7月25日
發明者邢毓華, 鍾鎮 申請人:常州合天電力設備有限公司