一种基于MS P430单片机实现的镍氢电池化成系统能量回收装置

林金亮，胡新福，赖月华，黄钟森

（1.闽西职业技术学院信息与制造学院，福建 龙岩364021；2.福建卫东环保股份有限公司信息技术研究所，福建 龙岩364000）

0 引言

镍氢电池作为早期镍镉电池替代产品，不仅有效消除重金属元素镉对环境造成的污染，同时也大大减小镍镉电池中存在的“记忆效应”，在与其它二次电池如锂电池、铅酸电池等相比，镍氢电池在相同体积下不仅具有较大能量密度比，而且在快速充电方面能使电池在数分钟内恢复储能80%以上[1]，因而在许多领域具有广泛的应用。然而，镍氢电池在投入使用之前要经过多次充放电使之激活即化成过程，国内众多小型厂商处理镍氢电池化成能量主要是在化成设备末端加装电阻放电装置，消耗多余能量，该法虽然电路结构简单、成本低廉，但会造成极大能源浪费，同时以电阻耗能解决化成能量还会造成系统整体温度升高，进而大大降低系统稳定性和元件使用寿命；一些实力雄厚的厂家处理镍氢电池化成能量则采用相控式有源逆变，实现化成能量的并网回馈，此法虽然能取到一定节能效果，但噪声较大，输出功率因数较低，对电网侧容易造成谐波污染，因而该法在处理二次电池化成能量的设备中使用极其有限；有些高校和研究机构提出在化成设备母线上搭载储能装置，放电时将镍氢电池释放的多余能量存入大容量储能装置，等到需要时再取出给镍氢电池充电，该装置有效提高了化成设备的能源利用率，但目前此法缺乏对系统协调控制的研究，导致节能效率不高，一般在30%以下[2]。

为进一步解决节能问题，提高能源利用率，实现镍氢电池化成系统能量高效回收，提出一种基于直流母线架构、卡尔曼滤波算法、采用AC/DC和DC/DC变换等技术的能量回收装置，对传统电路进行改进和算法优化，在保证镍氢电池化成系统正常工作前提下使节能效率提高到46%以上。

1 能量回收系统整体结构

镍氢电池化成系统能量回收装置采用储能直流母线架构，主要由微控制器模块、高功率AC/DC模块、储能蓄电池组、耗能电路模块及相应的外围电路等组成。微控制器模块主要负责相关电路的控制及通过CAN总线上传镍氢电池组相关状态参数，同时接收上位机下达的指令。AC/DC模块将220V/380V交流电整流为36 V直流电，在微处理器协调控制下为能量回收系统提供能量补给，实现能量单方向流动；储能蓄电池则通过36 V直流母线实现整个系统储能，能量可以双向流动；耗能电路则消耗掉母线上多余能量，保证系统在化成过程安全可靠运行。微处理器模块在化成过程中根据检测到的数据决定是否为母线释放能量或往直流母线补能，在确保系统化成过程安全前提下，尽可能多将镍氢电池释放的能量存储在储能蓄电池中，从而避免能源浪费，实现能量高效回收。化成系统能量回收装置整体结构设计如图1所示。

图1 化成系统能量回收装置整体设计图

2 系统硬件电路设计

2.1 微处理的选择

控制板电路设计采用美国TI公司微处理器MSP430F149，其不仅具有丰富的外设，如12位A/D转换器、温度传感器、定时监视器（WDT）等，而且还具有超大容量FLASH存储空间和强大运算处理能力，集成的A/D转换器和温度传感器可以非常方便对化成电压、电流进行检测以及在不同温度下对荷电量的补偿，同时也可大大节省电路设计的外围空间，尤其是低电压、低功耗模式使自身系统耗电量极低，可极大提高系统对镍氢电池和直流母线蓄电池能量检测的精度。

2.2 耗能电路设计

耗能电路在微控制器MSP430F149的控制下实现对化成系统多余能量进行消耗，主要起电路保护作用，通过将继电器和功率电阻串接在36 V直流母线上，通过控制继电器的开关来选择是否将功率电阻RPM600接入母线进行耗能，该种方案结构简单，控制方便。当控制信号控制继电器打开时，耗能电阻接入母线，母线进行耗能；控制信号控制继电器关闭，耗能电阻从直流母线断开，停止耗能，耗能电路与单片机的接口如图2所示。

图2 单片机与耗能电阻接口电路图

2.3 AC/DC模块电路设计

AC/DC模块设计以Boost斩波升压电路为核心，配以功率因素校正电路，将整流后的24 V直流电压升压成36V直流电向储能直流母线充电。功率因数校正电路UCC28019芯片第8脚接入J1端口，J1端口有PWM信号输入时，功率管Q1导通，交流市电经变压器及整流电路后从J2、J3端口输入直流电压，此时直流电压几乎全部加在电感L1两端，此时电感L1极性呈左正右负状态，快恢复二极管D2则处于反偏截止，电流经电感L1和功率管Q1流回电源负极，电感电流iL线性上升，电感L1不断将电能转换为磁能蓄积起来。当J1口无PWM信号输入时，Q1截止，L1因自感电动势的存在使电感两端极性转为右正左负，此时D2导通，L1释放储能，电感电流iL线性下降；Boost电路在输入直流电压Ui和电感电压UL共同作用下，经二极管D2和电容滤波后向储能直流母线充电。Boost斩波升压电路如图3所示。

图3 Boost斩波升压设计电路

2.4 DC/DC模块电路设计

DC/DC模块是镍氢电池化成系统重要组成部分，具有双向转换功能，在MSP430单片机PWM信号协调控制下给镍氢电池组充放电。镍氢电池组充电时，DC/DC模块将36 V直流母线电压转换为12 V输出电压。放电时，DC/DC模块反向将电池组释放的能量通过母线储存在蓄电池组中。DC/DC模块电路设计采用IRS21867作为变换器驱动芯片，其供电电压低、驱动电流大，且内含高速功率MOSFET和IGBT驱动器，结合具有超低栅极驱动电荷和米勒电容、低热阻的N沟道场效应管CSD19536，可在功率转换中最大限度降低能耗，转换效率可达94%~96%，在放电过程也可节省90%~93%电能损失[3]，DC/DC模块BUCK-BOOST主回路电路如图4所示。

图4 DC/DC模块BUCK-BOOST主回路电路

3 系统关键软件设计

3.1 电池电量检测算法

电池电量SOC的检测主要是检测镍氢电池和储能蓄电池的电量，检测的方法主要有开路电压法、安时积分法、卡尔曼滤波法、神经网络预测法等，开路电压法实时估计电池电量需要较长静置时间，因此不适合化成系统需要不断充放电的场合。安时积分法从公式（1）可以看出，其电池电量的测量不仅与电流测量准确度和电池初始容量有关，而且对电池容量的估计还具有误差累积效应。

式中SOC0为电池初始容量，CN为电池标称容量，it为电池端口实时电流值，SOCt为t时刻蓄电池实时容量，η为校正因子。电池电量SOC神经网络预测具有在线滚动优化指标和反馈自校正策略，具有较好的鲁棒性和稳定性，但不具有线性和叠加性，而且程序算法较为复杂。卡尔曼滤波技术作为一种用于动态目标跟踪与最佳估计的算法，只需要当前一个测量值和前一个采样周期的预测值就能进行状态的准确估计，尤其是电池电量SOC受到环境温度、蓄电池老化以及充放电电流倍率等噪声影响情况下更具有优越性，因而也可以认为电池的系统方程和观测方程是非线性的，因此在应用卡尔曼滤波技术之前必须进行线性化处理。构建系统电池的系统方程和观测方程如方程（2）所示：

对上面公式进行离散化后，即可得蓄电池离散状态空间模型：

式中实时变量SOCk用xk表示，观测变量Wt用yk表示。

则电池状态方程和观测方程可以分别表示为：xk+1=f（xk，yk）和yk=h（xk，yk）。

设电池初始状态值估计的协方差P0=0，k=1，2，……，递推可得：

误差协方差阵：P（k+1）=P（k+1/k）-K（k+1）S（k+1）KT（k+1）

卡尔曼增益矩阵：K（k+1）=P（k+1/k）HT（k+1）-K（k+1）S-1（k+1）

在采集电池电量时，Kalman滤波器根据当前检测值与先前状态量在时间上首先进行第一次更新，获得状态量及误差协方差先验估计，并将其估计值传送至后续的状态更新；Kalman滤波器在状态更新时将根据实时观测值对前一阶段先验估计值进行修正，得到误差协方差后验估计和状态量，如此不断循环[5]，其算法流程如图5所示。

图5 电池电量检测软件算法流程图

3.2 电池充电管理软件设计

在对MH-Ni电池进行充电时，检测其充电饱和条件：一是根据设置的充电饱和时间进行判断；二是根据MH-Ni电池的充电特性，当T1时刻电压V2小于T0时刻电压V1，即当△V＝V2-V1为负时，说明电池充电已达饱和状态，应停止充电，充电控制软件设计流程图如图6所示。

图6 充电控制软件设计流程图

3.3 下位机通信软件设计

下位机通信软件是系统软件设计的关键部分，承担着采集数据上传和接收上位机控制指令的任务，其通信软件设计主要采取串行口中断的模式进行函数的编制，流程图如图7所示。

图7 下位机通信软件整体设计结构图

3.4 上位机程序总体设计

能量回收系统上位机软件统筹着整个系统的运行，不仅可以远距离监控下位机及现场的运行状态，而且可以改善操控人员的工作环境，其设计软件主流一般有VB、VC++、Dephi、C#和组态王等应用型软件，考虑到系统需要实时监测设备的运行情况，加上VB功能强大且简单易学的特点，因而在上位机监控软件的设计中选用VB进行程序开发。上位机系统软件主要由电池化成控制部分和数据分析软件部分，其整体结构功能如图8所示。

图8 上位机系统软件整体功能设计结构图

化成方案选择主要选择恒流充电或者恒压充电，并设置各种保护措施以防止电池过充和过放，用户权限管理主要针对生产操作人员和非操作人员的操作权限进行限制，系统通信模块主要作用为与下位机进行数据通信，实时采集电池的电压及充电电流数据，并对下位机能量回收系统进行控制，精度系数调节模块对充电电压和电流进行微调以防对二次电池损伤，分容选配组模块根据电池测试数据快速准确将性能相近的电池分类配组，可实现电池组内单体电池特性的一致性，从而提高电池组的寿命，能量数据分析模块根据充电电压和电流以及时长可实现能量的计算与分析并显示。

4 系统测试结果与分析

系统测试采用10节型号为7/5F6C镍氢电池串联成电池组，通过下位机电路按键或上位机软件设定，以恒流1 000 mA对串联镍氢电池组进行充电，以恒流2 000 mA对镍氢电池组进行放电，充放电过程因电池组两端电压U1不断变化，故分别选取在储能蓄电池充满能量情况下对充放电初、中、末、满/终四个典型状态进行系统电压电流及整体节能效果的测试，测试系统实物图如图9所示。

图9 镍氢电池化成系统测试实物图

4.1 DC-DC变换器充放电效率测试

在系统测试电路中，设加在串联镍氢电池组两端的电压为U1，流经的电流值为I1，储能母线上电压值为U2，流入DC-DC模块的电流值大小为I2，则变换器效率η1＝P1/P2×100% ＝U1I1/U2I2×100%。测得DC/DC变换器充放电效率如表1和表2所示。

表1 DC-DC变换器充电效率测试数据表

表2 DC-DC变换器放电效率测试数据表

从表1和表2可以看出，能量回收系统在充放电模式下对母线电压影响不是很大，均能稳定在36 V附近，充电模式下变换效率总体略高于放电模式，虽然略有不同，但效率均能保持在90%以上，为系统能量进一步高效回收提供有力保障。

4.2 系统能量回收整体效率测试

设系统无能量回收时电池完成一次化成过程需要消耗电能为E，有能量回收装置时消耗电能为E′，则节能效率计算公式η＝（E-E′）/E×100%。系统测试分三种方案进行，方案一采用无储能装置进行测试，此时系统所需耗电量即AC/DC提供给电池组全程的充电量，考虑到AC/DC模块也有能量损耗，故可将数字式电能表至于AC/DC模块后端直接读出充电前后数据差值即可算出无能量回收时系统总耗电量；方案二采用控制AC/DC和耗能电阻开关量的策略，不对系统工作电流进行跟踪控制；方案三采用完整控制策略对系统能量进行精确管理，即对AC/DC工作电流实时进行跟踪和控制。能量回收系统三种方案节能效果整体测试如表3所示。

表3 能量回收系统整体节能效果测试

通过表3可以看出，采用电流跟踪控制的方案三可以显著提升化成系统的节能效果，相比目前市面上有储能装置的化成设备，其节能效率可提高17.3%。

5 结束语

在镍氢电池化成系统中提出了一种基于MSP430单片机实现的能量回收装置，通过对传统电路进行改进和优化，以及采用扩展卡尔曼滤波技术提高系统对电池的测量精度，不仅有效防止电池过充过放，增加电池工作时间和使用寿命，而且有效解决电池化成测试过程中电能大量浪费或节能效率不高的问题。实验数据表明，镍氢电池化成系统能量回收装置可以将整体节能效率提高至46%以上，自行设计的AC-DC和DC-DC变换器转换能效也达到了90%以上，目前，能量回收系统已在某公司化成设备中试运行，节能效果良好。