单片机技术在电力系统蓄电池智能充放电控制中的应用研究

席飞

（江苏联合职业技术学院南京分院，江苏南京，210019）

0 引言

能源问题一直是关乎民生经济的重要问题。清洁能源的开发利用已经成为国际公认的解决能源问题的主要渠道，而清洁能源的开发利用离不开先进的储能系统。目前最常见的储能系统就是储能电站，储能电站则由多组蓄电池组成，蓄电池充放电控制系统的设计与实现直接关系到储能电站的储能效率以及运行成本。因此，本文以储能电站蓄电池充放电智能控制系统的理论设计作为研究方向，从单片机控制系统的设计原则以及蓄电池充放电控制系统的功能需求两个方面，详细论述了储能电站中蓄电池智能充放电控制系统的设计思路。

1 蓄电池智能充放电系统控制器设计原理

1.1 电力系统储能蓄电池的充放电特性分析

目前我国储能电站最为常见的蓄电池类型为铅酸蓄电池，铅酸蓄电池的充电过程基本原理为，通过外部提供一个直流电源，促使蓄电池内部发生化学反应，将电能转换为化学能储存起来。目前常见的铅酸蓄电池充电方式主要有以下几种：第一，恒流充电。即在充电过程中保证为蓄电池提供一个外部的电流值恒定不变的电流。该充电方式是最为简单的充电方式，但弊端相对明显。由于蓄电池内部的受电能力会随着充电时间变长而逐渐变小，在充电的每个阶段采用同样大小的电流充电显然是不合理的，会加剧充电过程中蓄电池析气现象，影响蓄电池的使用寿命。因此目前恒流充电方法已经基本淘汰，同样也不适用于本文论述的光储系统蓄电池充电。

第二，恒压充电。即在恒定电压下，随着蓄电池充电时间的推移，充电电流逐渐降低。这种充电方式的充电效率明显高于恒流充电，但仍然存在充电伊始电流可能过大的弊端。另外恒压充电也不适合串联了较多蓄电池的储电系统。

第三，浮充充电。即采用C/30与C/20之间的小电流来逐渐将蓄电池充满。这种充电方式仅适合充电的最后阶段，并不能满足充电初期的充电电流需求。

第四，分阶段充电。即依据以上三种充电方式的优劣，将蓄电池的充电过程分为前、中、后三个阶段，在前期采用充电电流较大的恒流充电，中期采用电流持续变小的恒压充电，后期采用充电电流最小的浮充充电。目前这种分阶段的充电模式相对来说充电效率较高、充电能耗较低、电能转换为化学能的转换率较高。因此，本文设计的电力系统蓄电池充放电控制系统采用的充电方式为分阶段充电模式。

1.2 充放电智能控制系统的设计思路

根据上文论述的蓄电池充放电模式，智能控制系统应该由数据采集、充放电控制、逻辑判断、辅助电源、人机交互这几个基础功能性模块构成，通过数据采集模块将蓄电池充放电过程中的电流、电压以及蓄电池温度等相关数据进行实时监测传输给逻辑判断模块，由提前编程好控制判断逻辑的单片机依据收集到的数据发布充放电控制指令，再由指令执行模块负责控制充电方式与放电流量。在整个控制过程中，操作人员可以通过人机交互模块获取蓄电池状态、充电预计时长、蓄电池充电方式、剩余电量等信息。

2 蓄电池智能充放电控制系统的硬件设计

2.1 系统基本结构

根据上文中的设计思路分析，蓄电池的智能充放电控制系统应该由主回路模块、充放电模块、数据采集及通信模块、智能控制模块以及辅助电源模块构成。

图1 蓄电池充放电控制系统数据采集与传输结构图

第一，主回路模块主要负责对充电的电源电路进行整流。另外主回路模块还要为其他模块供电。

第二，数据采集及通信模块则主要负责监测充放电过程中蓄电池的电压、电流、温度以及剩余容量等相关数据，同时将这些数据实时反馈给智能控制模块。监测设备选用型号合适的电力系统万用表就能够实时获取蓄电池的电压、电流数据，采用非接触式温度计就能够实时获取蓄电池温度，采用蓄电池容量监测仪器实时获取剩余电量。通信模块建议将整个控制系统分为上位机和下位机，上位机为整个电力系统监控中心，下位机为各个具体的蓄电池的数据监测系统。每个蓄电池的充放电控制系统对应一个网络协调器，以CAN总线网络作为通信网关，各个充放电控制系统的监测数据都需要汇总到CAN总线上，由电力系统统一的监控中心将蓄电池的实时状态数据显示给操作人员。每个监测节点对应的网络协调器也不易出现信号之间的相互干扰。

第三，充放电模块主要由充放电电路构成，建议采用混合母线式电路，同时通过DC/DC、DC/AC变换器对整合的充电电路进行变压操作，满足蓄电池充电控制中的不同充放电策略。通过MOSFET管来实现对蓄电池的放电控制。

第四，智能控制模块，主要由单片机主控芯片构成，按照系统监控中心反馈的蓄电池充放电状态监测数据，运行控制程序生成充放电控制模块DC/DC、DC/AC变换器以及MOSFET管的运行指令。

2.2 主电路设计

蓄电池充放电过程的自动化控制离不开主电路的支持，要想实现恒流或恒压充电，就需要对充电电流进行整流、滤波、稳压等一系列操作。以光储系统为例，光伏发电电源电压受光伏能源变化影响不够稳定，需要通过整流以后得到直流稳定电压，然后再将直流电压借助于并网系统逆变器转换为高频交流母线电压。主电路整流桥式电路设计思路具体如下：第一，整流电路的设计，采用四个二极管结成电桥形式，利用二极管的单向导电特点，把光伏发电产生的正弦交流电压整流成为单方向的脉动电压。第二，滤波电路设计，采用电容滤波，通过电容将脉动电压存储起来以后在缓慢释放，将电压的脉动特点逐渐消解掉，把脉动电压变为稳定地直流电压。第三，稳压电路设计，采用三端式集成稳压器对直流电压进行稳压处理，为后续的逆变器转换交流母线电压做好准备。

2.3 网络协调器硬件设计

根据上文论述的数据采集与通信模块主要依赖于网络协调器进行数据的通信，因此网络协调器的设计同样直接关系到充放电控制系统的响应效率。网络协调器的智能控制同样需要借助于单片机实现，建议选用Cortex-M0架构的STM32F051C8T6高性能单片机，该型号单片机具备高性能、低能耗特点，自带运作、停止、休眠、待机等四种工作模式，能够满足网络协调器的微控制需求。

每个蓄电池对应一个网络协调器，每个网络协调器也应该由独立的电源，STM32F051C8T6型号的单片机工作电压为3.3V和5V，建议选用MP2359电源芯片，该芯片内置有DC/DC转换器，可以灵活地控制输出电压。依赖于MP2359芯片内置的DC/DC 转换器可以方便地将电源电压降到单片机可以适应的电压数值。另外网络协调器单片机同样要具备自动化复位功能，因此可以通过配置一个寄存器的方式，网络协调器运行过程中切换时钟源，实现网络协调器模块商店自动复位。最后，连接以太网的网络芯片建议选用ZLSN2002，该芯片性能稳定，且能够兼容上述的电源芯片，只需要将引脚与充放电主控单片机串口连接以后，就能够实时地向网络发送充放电主控芯片的指令信息以及监控系统的监控数据。

2.4 充放电控制系统硬件设计

系统的充放电控制系统需要实现对斩波电路的智能控制，根据上文分析可知光储系统的蓄电池斩波电路主要为DC/DC变换器。考虑到这一点，建议选用8位单片机STM8S105K4作为主控芯片。该型号单片机引脚有23个，且内置4个定时器、7个A/D转换通道，能够完成对数据采集、按键开关、LED显示、两级式DC/DC变换器升压转换等功能性模块的智能控制。通过控制两级式DC/DC变换器，由前端Boost将充电电流进行升压转换，当蓄电池电压达到临界点时，再由第二级变换器将电压稳定在临界值。另外为了进一步提高充电效率，可以配置两级式DC/AC变换器，由前端的Buck电路以及后端Buck-Boost电路分别负责正反两条电路的电压输出，进一步提高恒压充电阶段的充电效率。

图2 DC/DC转换器电路图

3 蓄电池智能充放电控制系统的软件设计

3.1 充放电作业主程序设计

蓄电池的充电过程是一个渐变过程，通过控制程序控制每一个充电阶段的充电时长是充电控制程度的关键。本文主要以电压数据来分析判断清洁能源的发电量，直流母线电压与发电量呈正相关关系，因而恒流状态的充电时间也应该和发电量呈正相关关系，根据这一规律，设计蓄电池充电流程如图3所示。

图3 蓄电池充电程序流程图

图3中，以蓄电池电压是否低于135V作为判断条件，电压不超过135V时，充电电流维持在恒定值10A，处于恒流充电阶段。当电压超过135V时，调用DC/DC变换器将电压升压并控制在400V，进入恒压充电阶段。随着恒压充电时间的增加，充电电流数值会逐渐变小，当充电电流低于0.8A时，进入浮充状态。在浮充阶段，通过较小的电流充电，逐渐是蓄电池电压达到150V，然后停止充电。

图4中，蓄电池的放电过程同样可以细分为恒流放电和恒压放电两个模式。可以设置固定的电流值，然后比对蓄电池放电开始时的电压与放电过程中的实时测定电压，应用判断放电过程产生的系统占空比，以此来判断系统是否进入可放电状态。恒压放电模式则是控制电压以后，对比系统初始状态的电流与是否小于放电状态预设值，计算系统的占比空以后，研判蓄电池是否进入放电准备状态。

图4 蓄电池放电程序流程

3.2 功能模块功能实现程序设计

单片机作为整个控制系统的主控芯片，需要对整个系统的各个功能性模块的功能实现进行控制。

首先，为了保证单片机性能的稳定性，在每次单片机进行一次逻辑研判以前要对其进行初始化处理。初始化处理包括了以下几个方面：第一，要对寄存器中的数据进行归零处理，要为寄存器中的各个数据赋初始值。第二，要确认设置补全单片机充放电控制主程序运行所需的各类具体参数，如上文充电系统中的进入浮充阶段的蓄电池电流预设值，以及放电系统中电流、电压预设值。第三，要对单片机的I/O端口的状态进行初始化。第四，要对单片机的计数器以及定时器状态进行初始化，并设定运算参数。具体单片机初始化流程如图5所示：

图5 单片机初始化程序流程

其次，按键采集程序，主要用于实现对充放电状态的人工控制功能。操作人员通过按键可以实时设置充放电过程中的控制参数。通过探测按键开关状态来判断是否生成修改参数、控制充放电状态等人工操作。为了避免因为按键抖动引起的误判，在读取到按键开关状态变化的数据以后，要延时进行判断。

最后，LED人机交互显示程序，主要用于将每条充放电控制指令显示出来。在初始化单片机时，可以将LED显示器进行初始化处理，然后为每一个惯用字符设置固定的代码，由单片机通过I/O端口控制LED屏显示蓄电池充放电烤制指令内容。

4 结论

合理运用单片机技术能够实现对供电系统、配电网络的智能化技术改造。本文以清洁能源并网过程中的储能系统蓄电池充放电控制系统为研究对象，从充放电控制系统各个模块所用单片机选型以及电路设计方面提出了建议，同时重点针对蓄电池充放电作业程序流程提出了具体的设计思路建议，且对蓄电池充放电控制系统的其他模块的软件设计也进行了简单的分析说明。期望本文的分析对清洁能源并网系统设计中的单片机技术应用有所帮助。