CN108899982B - 多组锂电池充放电智能管理系统的控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多组锂电池充放电智能管理的控制方法，即根据锂电池剩余电量和充放电次数的历史数据，选取优先充电电池和优先放电电池；硬件实现太阳能最大功率输出，始终以最大功率为锂电池充电，同时太阳能可选择地为负载供电；采用MODBUS协议实现串口交互，输出每个电池的状态数据，以及所有锂电池的总电量，通过写入每个锂电池的额定值以方便更换不同种类的锂电池；使用可充电备用锂电池，负责为系统供电的前提下，为处于休眠模式的负载供电，同时备用锂电池具有优先充电的权利。本发明智能管理系统有效解决了多个锂电池的充放电管理问题，可以确保负载供电安全的同时，提高锂电池的利用率。

Description

多组锂电池充放电智能管理系统的控制方法

技术领域

本发明涉及充放电智能管理领域，具体涉及一种多组锂电池充放电智能管理系统及其控制方法。

背景技术

光伏发电有无污染，无噪声，取之不尽，用之不竭、取能方便的特点，是一种有广阔前景的绿色能源，在未来的供电系统中将占有重要的地位。在边远的荒漠或海洋、太空等电缆无法延伸的地域只能依靠自然能源为用电设备提供电能。而在夜晚或某些突发情况下，太阳能电池无法直接供电，因此需要将太阳能高效迅速的存储在储能设备中，待用电设备需要供电时便将电能释放给用电设备。

利用太阳能为储能设备充电的关键是根据太阳能电池板的输出功率特性，通过合理的充电电路拓扑结构以及相应的控制策略使储能设备在最短的时间里储存最大的能量。在这方面，已经进行了很多的研究和实验。已有的研究成果主要是结合太阳能电池板输出功率特性而制定的最大功率点跟踪(MPPT)的算法研究，充电电路主要采用开关变换器进行恒流充电和恒压充电相结合的方法。

在充电控制方法方面，通常采用改变开关占空比来实现太阳能电池的最大功率点跟踪(MPPT)的方式。但是，充电过程是个全动态过程，随着储能设备的端电压的变化，需要改变充电方式，如前面所说恒流充电和恒压充电相结合。但是在不改变电路拓扑的情况下，很难保证在充电全过程中既实现最大功率点跟踪(MPPT)又维持恒流充电或恒压充电，从而影响了充电效率，甚至无法充到期望电压值。

发明内容

本发明的目的是提供一种多组锂电池充放电智能管理系统的控制方法，该方法能够更好实现太阳能的MPPT控制取能，同时实现多组锂电池充放电智能管理，有效增强系统供电安全性，并且通过串口通信实现人机交互，实现了系统检测的便利和工作模式优化的便利性。

用于实现上述目的的技术方案是：一种多组锂电池充放电智能管理系统的控制方法，其特征是

1)通过采样太阳能板的输出电压，由PWM控制器改变取能开关占空比使太阳能板输出电压保持在最佳电压点；

2)根据太阳能板输出最佳电压点的值和锂电池(储能装置)端电压范围，确定取能电路的拓扑，本装置中锂电池额定电压为12V或24V,系统负载的输入电压范围为9V—36V，为确保太阳能给负载直接供电的安全性，选定MPPT取能电路的输出电压最大值为30V，所以选用BUCK变换器为MPPT取能电路的硬件拓扑；

3)根据太阳能输出额定功率(300W)、锂电池额定电压(12V或24V)、MPPT取能电路的输出电压最大值(30V)，确定BUCK-BOOST变换器的硬件参数：最大占空比为60％，电感值为68μH，输出滤波电容值470μF/50V；

4)根据MPPT取能电路输入输出电压的大小，判定太阳能是否可以正常充电或直接给负载供电；

5)根据各电池的端电压和历史充放电次数确定充放电规则，使所有电池均衡工作，提高电池利用率和寿命均衡性；通过监测充电过程判定电池是否充电正常；

6)通过串口连接实时输出各种状态数据，包括太阳能输出端电压(即MPPT取能电路输入电压)、MPPT取能电路输出电压、各电池组端电压、工作状态及充放电历史数据、电池是否在线、充电过程是否正常等；

7)实现电池充放电时虚电压的自动测试，，并拟合了剩余电量计算公式，提高了电池电量测定的精确性。

目前已有的太阳能充放电管理系统，基本采取恒流或恒压方式充电，与实现太阳能MPPT输出存在矛盾，不能充分利用太阳能，造成能源浪费。电池管理中，电池虚电压的测量不准确造成对剩余电量的估计不准确。大多只根据端电压的大小，确定充放电顺序，可能造成电池利用的不均衡，影响整个系统的可靠性。

本发明中储能设备是由多个锂电池构成，锂电池的容量可变，额定输出电压为12V或24V，太阳能板的最佳输出电压为17.5V。锂电池充电采用恒功率充电的方式，即随着电池端电压的升高，充电电流自动变化，使太阳能板始终以最大功率输出，并使电池充分吸收太阳能板输出的功率，即可以保证任一时刻MPPT取能电路从太阳能板获取最大功率，并输送给充电电池或负载。

MPPT取能电路控制系统由太阳能板直接供电，实现自启动，保证了任何情况下始终实现最大功率跟踪，以最大功率为所有需要充电的任何电池充电，提高充电效率缩短充电时间。

在电池充放电管理方面，同样进行了许多研究与实验。已有的研究成果主要是恒流恒压等充电方式，充放电过程中电池均压及保护措施，主要根据电池端电压制定充放电规则。本发明除了考虑这些因素外，对每个电池的充放电次数做了历史记录，把历史数据作为充放电条件之一，使各电池使用更均衡，提高了系统可靠性，并且对不同类型的电池建立了剩余电量测试用的数学模型(公式1-2)及建立了系统总的剩余电量的实时统计方法(公式3)。

在数据通信方面，采用Modbus协议串口交互，显示系统实时状态和数据，包括每个电池是否在线、是处于充电状态或放电状态或不充不放状态，所有电池的实时端电压、所有电池的剩余电量、系统总的剩余电量、负载的工作模式、MPPT控制取能电路是否正常工作等信息，使工作人员可以实时掌握供电系统的工作状态，可以根据状态信息及时调整系统的工作模式，以获得最佳工作方式，增加了系统的可监测性和预判性。

由上位机通过串口选择系统的工作模式和实现系统对时，增加了系统的灵活性。

本发明的优点是：(1)采用最大功率充电方式可以更好地实现MPPT技术；(2)太阳能除了为储能装置充电外，还可以和供电电池一起为负载供电，并实现自动切换，提高了太阳能的利用率；(3)剩余电量估计更加准确；(4)提高了各个电池使用及寿命均衡性，延长了系统的使用周期；(5)工作方式的灵活性，可以满足不同用户的需求。

附图说明

图1是本发明实施方案的整机系统原理图。

图2是使用BUCK-BOOST变换器拓扑的MPPT取能电路原理图。

图3是本发明的充放电系统总程序框图。

图4是本发明的放电过程控制程序框图。

图5是本发明的充电过程控制程序框图。

图6和图7是本发明的实验波形图。

具体实施方式

以下结合附图和实例对本发明的内容做进一步说明。

如图1所示，系统由一块太阳能板输出接入BUCK-BOOST结构的MPPT取能电路，MPPT取能电路通过二极管D01和电池充电开关K_充相连，再通过开关K_太阳能相连可以由ARM控制直接给负载A供电；通过充电开关K_0充到K_4充连接备用电池Battery0及常用电池(Battery1、Battery2、Battery3、Battery4)到MPPT取能电路；备用电池Battery0用于控制系统供电和休眠状态负载B供电；常用电池(Battery1-4)在太阳能不足时轮流为正常负载A供电，通过切换二极管D₁-D₄及开关K_1放-K_4放与正常负载A相连。

如图1所示，ARM控制器通过采样滤波及阻抗匹配电路实时采样图中A、B、C、D、E、F、G的7个节点电压，并根据实时采样值和控制算法，并通过开关驱动电路输出11个开关信号并实现控制开关(K_太阳能、K_0充-K_4充、K_0放-K_4放)的开通与闭合。ARM控制器通过串口与计算机相连。图中D01能够防止在太阳能板电压过低时所有电池出现倒放电现象，同时实现太阳能板和备用电池之间的供电切换时无电压跌落，二极管D₁-D₄实现常用电池之间的供电无缝切换。

BUCK-BOOST结构的MPPT取能电路如图2所示，由PWM控制器TL494实时采样太阳能输出端口电压，与内部基准比较，调整PWM波的占空比，使BUCK-BOOST变换器的输入阻抗始终跟随太阳能板的输出阻抗而变化，即使太阳能板工作在MPPT状态，输出端口电压始终处在最佳输出电压点附近，同时结合需要充电的电池端电压使MPPT取能电路在升压或降压间自动切换。同时通过采样反馈输出电压，把MPPT取能电路的最大输出电压限于30V，保证直接给负载供电的安全性。由于BUCK-BOOST变换器结构的原因，MPPT取能电路的输入输出具有不同的参考端，所以图2中的光电耦合器P1用于对输入电压的隔离采样。图2中的稳压管D14、D25用于ARM采样输入电压的限幅。图2中的N_MOS Q12为开关管，电感L1为储能电感(68μH),E3为滤波电容(470μF/50V),二极管D23为续流二极管，D24为供电切换和防反充二极管，相当于图1中的D01。

实验中，太阳能板的额定输出功率为50W，最佳端口工作电压为17.2V，最大输出电流约3A。所设计的取能电路开关频率为25kHz,电感为100μH，滤波电容为470μF。

本设计采用有内部集成A/D和高速Flash存储的STM32系列的控制芯片。系统程序控制总流程图如图3所示。首先，初始化主控制器内部参数配置如看门狗、锁相环PLL及其他外设，设置外设I/O工作模式，并初始化模数转换器ADC和定时器。其次，采样得到A、B、C、D、E、F、G的7个节点电压值。然后程序进入三个管理模块：采样滤波与阻抗匹配模块、充放电管理模块、串口数据交换模块。

充放电管理模块是本发明核心模块，放电管理控制过程如图4所示，具体流程为：

(1)ARM通过检测常用电池(battery₁--battery_N)中是否有电量大于60％的电池，如果有，选择历史放电次数最少的电池battery_i首先为负载供电，直到实时放电电池电量低于50％，重新寻找可放电电池battery_j(按同样规则在剩余电池中寻找)，找到后先闭合放电开关K_j放，再断开放电开关K_i放；

(2)如果步骤(1)中找不到可放电的常用电池，ARM检测备用电池(battery₀)的电量是否大于60％，如果是，闭合休眠负载放电开关K_0放，断开所有常用放电开关K_i放，使负载进入休眠工作模式；如果不是，断开所有电池(battery₀--battery_N)的放电开关，负载停止工作。

充电管理控制过程如图5所示，具体流程为：

(1)ARM根据所有电池(battery₀--battery_N)的实时剩余电量判断是否有电量低于80％(需要充电门限值，可以自行设定)的电池。如果没有，断开所有充电开关K_i充，闭合太阳能板直接给负载供电的连接开关K_太阳能，使太阳能板可以直接为负载供电，提高了太阳能的利用率。同时让供电电池开关K_i放保持在闭合状态，以免由于太阳能板供电不稳定时造成负载供电电压的瞬时跌落情形的出现。如果有需要充电电池，则进入下一步(2)；

(2)上一步中判断出有需要充电的电池，则断开太阳能板直接为负载供电连接开关K_太阳能，太阳能板准备为电池充电，并进入下一步(3)；

(3)ARM判断备用电池battery₀的电量是否低于80％(低于80％需要充电)，如果是，进入下一步(4)，如果不是，进入步骤(7)；

(4)闭合充电开关K_0充，太阳能板通过MPPT取能电路为备用电池battery₀充电，并进入下一步(5)；

(5)判断备用电池的电量是否达到100％，如果是，断开充电开关K_0充并回到步骤(1)。如果不是，ARM判断充电过程是否正常(即在一定时间间隔里被充电的备用电池battery₀的端电压是否增加，增加为充电正常，不增加为充电不正常)。如果正常则保持充电并返回到(5)开始；如果不正常进入下一步(6)；

(6)ARM通过检测MPPT取能电路的输入电压(图1中G点电压)和输出电压(图1中F点电压)判断MPPT取能电路是否工作正常(是否工作在最大功率跟踪状态，是否可以正常充电)，如果正常，通过串口输出被充电电池充电异常信息，并断开充电开关K_0充停止充电，并返回(1)。如果不正常，通过串口输出太阳能供电不足信息，并保持充电开关K_0充闭合，进入充电等待状态，然后返回(5)；

(7)如果步骤(3)中备用电池battery₀不需要充电，ARM检测所有常用电池(battery₁--battery_N)的剩余电量，寻找是否有电池电量低于80％的电池，如果没有程序返回(1)。如果有，根据记录的每一个常用电池的充电次数历史数据，选择充电次数最少的常用电池battery_i首先充电，闭合相应的充电开关K_i充，并进入下一步；

(8)判断正充电的常用电池battery_i的电量是否达到100％，如果是，断开充电开关K_i充并回到步骤(1)。如果不是，ARM判断充电过程是否正常(即在在一定时间间隔里被充电的备用电池battery_i的端电压是否增加，增加为充电正常，不增加为充电不正常)。如果正常，保持充电并回到(8)开始；如果不正常，进入下一步(9)；

(9)ARM通过检测MPPT取能电路的输入电压(图1中G点电压)和输出电压(图1中F点电压)判断MPPT取能电路是否工作正常(是否工作在最大功率跟踪状态，是否可以正常充电)，如果正常，通过串口输出被充电电池充电异常信息，并断开充电开关K_i充停止充电，并返回(1)。如果不正常，通过串口输出太阳能供电不足信息，并保持充电开关K_i充闭合，进入充电等待状态，然后返回(8)。

图6和图7所示的是系统中MPPT取能电路(实例电路)在充电过程中不同的两个时刻的驱动实测波形。可以看出不同的两个时刻的驱动波形有不同的占空比，图6中占空比为40.00％，图7中占空比为38.54％，可以测得在这两个时刻太阳能板的输出电压均为17.5V，实现了MPPT取能电路使太阳能板始终工作在最大功率输出状态。

实验系统装置通过MODBUS协议实现了串口通信，可以通过上位机设置工作模式、锂电池容量、系统对时，可以读取所有电池的任何一个状态信息以及太阳能板的工作状况。

以上所述，仅是本发明的较佳实例，并非对本发明作任何限制，凡是根据本发明技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、变更以及等效结构变化，均仍属于本发明技术方案的保护范围内。

Claims (1)

1.一种多组锂电池充放电智能管理系统的控制方法，其特征是控制方法包括以下步骤：

步骤1、通过采样太阳能板的输出电压，由PWM控制器改变取能开关占空比使太阳能板输出电压保持在最佳电压点；

步骤2、根据太阳能板输出最佳电压点的值和所有锂电池端电压范围，选用BUCK变换器为MPPT取能电路的硬件拓扑，锂电池的容量可变，额定输出电压为12V或24V，太阳能板的最佳输出电压为17.5V；

步骤3、根据太阳能板输出额定功率、所有锂电池额定电压、MPPT取能电路的输出电压最大值，确定BUCK-BOOST变换器的硬件参数；

步骤4、根据MPPT取能电路输入输出电压的大小，判定太阳能板是否可以正常充电或直接给负载供电；

步骤5、根据每个锂电池的端电压和历史充放电次数确定充放电规则，使所有锂电池均衡工作，提高锂电池利用率和寿命均衡性；通过监测充电过程判定所有锂电池是否充电正常；

其中具体放电规则为：

(1)ARM通过检测常用锂电池中是否有电量大于60％的电池，如果有，选择历史放电次数最少的常用锂电池首先为负载供电，直到实时放电电池电量低于50％，按同样规则在剩余常用锂电池中重新寻找可放电锂电池，找到后先闭合放电开关K_j放，再断开放电开关K_i放；

(2)如果步骤(1)中找不到可放电的常用锂电池，ARM检测备用锂电池的电量是否大于60％，如果是，闭合休眠负载放电开关K_0放，断开所有常用放电开关K_i放，使负载进入休眠工作模式；如果不是，断开备用锂电池的放电开关，负载停止工作；

具体充电规则为：

(1)ARM根据所有锂电池的实时剩余电量判断是否有电量低于80％的锂电池，如果没有，断开所有充电开关K_i充，闭合太阳能板直接给负载供电的连接开关K_太阳能，使太阳能板可以直接为负载供电，提高太阳能的利用率，同时让供电电池开关K_i放保持在闭合状态，以免由于太阳能供电不稳定时造成负载供电电压的瞬时跌落情形的出现；如果有需要充电锂电池，则进入下一步(2)；

(2)上一步中判断出有需要充电的锂电池，则断开太阳能板直接为负载供电连接开关K_太阳能，太阳能板准备为需要充电的锂电池充电，并进入下一步(3)；

(3)ARM判断备用锂电池的电量是否低于80％，如果是进入下一步(4)，如果不是进入步骤(7)；

(4)闭合充电开关K_0充，太阳能板通过MPPT取能电路为备用锂电池充电，并进入下一步(5)；

(5)判断备用锂电池的电量是否达到100％，如果是，断开充电开关K_0充并回到步骤(1)；如果不是，ARM判断充电过程是否正常，如果正常保持充电并回到(5)开始；如果不正常进入下一步(6)；

(6)ARM通过检测MPPT取能电路的输入电压和输出电压判断MPPT取能电路是否工作正常，如果正常，通过串口输出被充电电池充电异常信息，并断开充电开关K_0充停止充电，并返回(1)；如果不正常，通过串口输出太阳能供电不足信息，并保持充电开关K_0充闭合进入充电等待状态，然后返回(5)；

(7)如果步骤(3)中备用锂电池不需要充电，ARM检测所有常用锂电池的剩余电量，寻找是否有电池电量低于80％的电池，如果没有程序返回(1)；如果有，根据记录的每一个锂电池的充电次数历史数据，选择充电次数最少的常用锂电池首先充电，闭合相应的充电开关K_i充，并进入下一步；

(8)判断正充电的常用锂电池的电量是否达到100％，如果是，断开充电开关K_i充并回到步骤(1)；如果不是，ARM判断充电过程是否正常，如果正常保持充电并回到(8)开始；如果不正常进入下一步(9)；

(9)ARM通过检测MPPT取能电路的输入电压和输出电压判断MPPT取能电路是否工作正常，如果正常，通过串口输出被充电电池充电异常信息，并断开充电开关K_i充停止充电，并返回(1)；如果不正常，通过串口输出太阳能供电不足信息，并保持充电开关K_i充闭合进入充电等待状态，然后返回(8)；

步骤6、通过串口连接实时输出各种状态数据，包括太阳能板输出端电压、MPPT取能电路输出电压、每个锂电池端电压、工作状态及充放电历史数据、锂电池是否在线、充电过程是否正常；

步骤7、实现锂电池充放电时虚电压的自动测试，并拟合了剩余电量计算公式，提高了锂电池电量测定的精确性；

其中12V规格的锂电池剩余电量计算公式为公式(1)所示，24V规格的锂电池剩余电量计算公式为公式(2)所示，保证了剩余电量测试的精确性；剩余总电量计算公式如公式(3)所示，

q_i＝(-1.981×V_i ²+17.17×V_i-36.14)×100 (1)

q_i＝(-0.2201×V_i ²+5.723×V_i-36.14)×100 (2)

以上公式中q_i为相应锂电池i的剩余电量，V_i为相应锂电池的实时端电压,W_i为相应锂电池i的额定容量，Q为所有锂电池的剩余总电量，N为锂电池的个数。

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