专利名称：一种离网光伏发电系统中蓄电池电量监测装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及蓄电池电量监测的领域，尤其是一种离网光伏发电系统中蓄电池电量监测装置。
背景技术：
在离网光伏发电系统中，蓄电池是储能部件的优先选择。蓄电池当前电量的多少直接影响着可带负载的工作时长，也是提醒用户及时切断负载的重要依据，因此蓄电池电量是光伏系统运行状态的重要参数，设计一种监测蓄电池电量的装置就显得十分必要。监测蓄电池电量和很多办法，其中基于电流对时间积分即安时计的办法是很直观、具有可操作性。但是蓄电池的本身的容量就随着使用年限的增加、温度变化、放电率大 小等因素的影响而发生改变，即蓄电池满电时的电量是时刻在发生变化的。又因温度、放电率(放电电流的大小)等条件的不同，蓄电池放电电压低至规定的截止电压时其剩余电量是不一致的。因此，这种基于安时计的方法如何指示蓄电池当前电量，给用户提供蓄电池当前电量的有效信息成为众多科技工作者关注的事情。
发明内容
本发明要解决的技术问题是为了克服上述中存在的问题，提供一种离网光伏发电系统中蓄电池电量监测装置，能够有效地控制蓄电池蓄电容量的易变性和剩余电量的不确定性，为使用含有浮充或者恒压充电方式的用户提供有效的蓄电池电量信息，在蓄电池电量累计达到上次修正容量的80%以上时，如果PV电压存在，蓄电池充电电压没有大的变化，并且蓄电池的充电电流以一个数值很小的电流维持了一段时间，就认为蓄电池已经充满电，电量为100%，此时将蓄电池的满电容量(程序初始化时蓄电池的额定安时)修正为当前电量。本发明解决其技术问题所采用的技术方案是一种离网光伏发电系统中蓄电池电量监测装置，包括电源电路、与电源电路相连接的单片机MCU、蓄电池电压采集电路、蓄电池电流采集电路、太阳能电池组件电压采集电路、掉电电量数据存储电路和电量信息指示，电源电路的输入端连接蓄电池，为其它所有电路提供能量，所述的单片机MCU内设置有第一模数转换器、第二模数转换器、第三模数转换器和乘法器，所述的蓄电池电压采集电路与第一模数转换器相连接，太阳能电池组件电压采集电路与第二模数转换器相连接，蓄电池电流采集电路与第三模数转换器相连接，掉电电量数据存储电路与单片机MCU双向连接，电量信息指示与单片机MCU输出端相连接，在蓄电池放电至规定的截止电压时，给用户显示的不再是蓄电池当前电量的大小，而是到截止电压时蓄电池的放电电流的大小和放电至截止电压的信息，放电电流越大，剩余电量越大，当用户获得信息是大电流放电时，可以选择以小负载放电或者及时充电，而释放的信息是以小电流放电时，即是提醒用户必须及时充电。所述的蓄电池电压采集电路包括电阻分压、第一隔离跟随电路和与第一模数转换器相连接的第一滤波电路，电阻分压输出端与第一隔离跟随电路相连接，第一隔离跟随电路与第一滤波电路相连接。所述的太阳能电池组件电压采集电路包括光耦电压转换电路、第二隔离跟随电路和与第二模数转换器相连接的第二滤波电路，光耦电压转换电路输出端与第二隔离跟随电路相连接，第二隔离跟随电路与第二滤波电路相连接。所述的蓄电池电流采集电路包括I/V转换电路、加法电路和与第三模数转换器相连接的第三滤波电路，I/V转换电路与加法电路相连接，加法电路与第三滤波电路相连接。 所述的电量信息指示包括LED指示灯和与LED指示灯串联的电阻，LED指示灯通过电阻与单片机MCU的I/O 口相连接，LED指示灯的个数代表剩余电量的范围，放电至截止电压时，以LED指示灯闪烁的个数代表放电率的情况。本发明的有益效果是，本发明的一种离网光伏发电系统中蓄电池电量监测装置，采用此种设计，能够有效地解决了蓄电池电量易变性的问题，准确判断了蓄电池的满电状态，放电至截止电压时，LED指示灯的闪烁情况显示了放电率，用户可以根据LED指示灯闪烁的个数估测蓄电池剩余电量的大小。
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。图I是本发明的结构框图；图2是本发明的蓄电池电量监测硬件的电路原理图；图3是本发明的单片机主程序流程示意图；图4是本发明的蓄电池电量监测装置应用示意图；图5是本发明的蓄电池充电曲线示意图；图6是本发明的蓄电池放电曲线示意图。图中I.电源电路，2.单片机MCU，21.第一模数转换器，22.第二模数转换器，23.第三模数转换器，24.乘法器，3.蓄电池电压采集电路，31.电阻分压，32.第一隔离跟随电路，33.第一滤波电路，4.太阳能电池组件电压采集电路，41.光耦电压转换电路，42.第二隔离跟随电路，43.第二滤波电路，5.蓄电池电流采集电路，51. I/V转换电路，52.加法电路，53.第三滤波电路，6.掉电电量数据存储电路，7.电量信息指示，71. LED指示灯，72.电阻。
具体实施例方式现在结合附图对本发明作进一步详细的说明。这些附图均为简化的示意图，仅以示意方式说明本发明的基本结构，因此其仅显示与本发明有关的构成。如图I所示的一种离网光伏发电系统中蓄电池电量监测装置，包括电源电路1，电源电路I与单片机MUC2相连接，电源电路I的输入端取自蓄电池，为其所有电路提供能量供给，蓄电池电压采集电路3、太阳能电池组件电压采集电路4、蓄电池电流采集电路5、掉电电量数据存储电路6和电量信息指示7，单片机MCU2内设置有第一模数转换器21、第二模数转换器22、第三模数转换器23和乘法器24，蓄电池电压采集电路3内的第一滤波电路33与第一模数转换器21相连接，第一滤波电路33与第一隔离跟随电路32相连接，第一隔离跟随电路32与电阻分压31相连接，太阳能电池组件电压采集电路4内的第二滤波电路43与第二模数转换器22相连接，第二滤波电路(43与第二隔离跟随电路(42相连接，第二隔离跟随电路42与光耦电压转换电路41相连接，蓄电池电流采集电路5内的第三滤波电路53与第三模数转换器23相连接，第三滤波电路53与加法电路52相连接，加法电路52与I/V转换电路51相连接，掉电电量数据存储电路6与单片机MCU2双向连接，电量信息指示7与单片机MCU2输出端相连接，电量信息指示7包括LED指示灯71和与LED指示灯71串联的电阻72，LED指示灯71通过电阻72与单片机MCU2的I/O 口相连接。如图2所示的一种离网光伏发电系统中蓄电池电量监测装置，单片机MCU是主控芯片，单片机MCU内置12位模数转换器ADC和一个硬件乘法器，可以满足本发明的数据采集需要和数据运算要求，蓄电池电流采集电路(Battery current sensor)是本发明最重要的数据采集电路，该电路使用高精密运算放大器0P07，电阻采用低温漂精密电阻，运放OPlA和电阻Rl、R2、R3、R22组成第一级I/V数据转换电路，蓄电池充电时，电流从三角形“地”流向虚线标示“地”，I/V数据转换电路输出正极性电压，蓄电池放电时，电流从虚线标示“地”流向三角形“地”，I/V数据转换电路输出负极性电压，电压绝对值的大小代表蓄电池充放电电流的大小，运放0P3A和电阻R25、R26、R27、R28组成加法运算电路，该级电路将前级负极性电压转换为正极性电压，以便电压落在单片机模数转换器ADC可接受的电压范围内，为了消除电路的其他噪声信号，在加法电路和ADC之间增加一级由运放0P2A、电阻R4、 R5、R6、R19和电容C18、C19组成的二阶低通滤波器，不同的充放电电流大小对应不同的ADC转换值，放电和充电的ADC值正好处于两极区间。蓄电池电压采集电路(Battery voltagesensor)和太阳能电池组件电压采集电路(PV voltage sensor)是本系统必要的辅助电路。在蓄电池电压采集电路中，R23和R24组成蓄电池电压分压电路，经过运放ARlB的隔离跟随进入由运放AR1A、电阻R9、R11、R12、R13和电容C13、C14组成的二阶低通滤波器，随后进入单片机模数转换器ADC，在太阳能电池组件电压采集电路中，由于很多光伏发电系统是太阳能电池的正极和蓄电池的正极连接在一起，负极是相互隔离的，相差一定的电势，因此，采用线性光耦PC817采集太阳能电池组件的电压，后续的处理电路和蓄电池电压采集电路一致。用五个LED指示灯指示当前的蓄电池电量，LED和电阻串联，由单片机的I/O 口直接驱动。五盏LED指示灯亮表示当前蓄电池电量在前一次修正容量的80%到100%，四盏LED指示灯亮表示当前蓄电池电量在前一次修正容量的60%到80%,三盖LED指示灯亮表示当前蓄电池电量在前一次修正容量的40%到60%,两盖LED指示灯亮表示当前蓄电池电量在前一次修正容量的20%到40%，一盏LED指示灯亮表示当前蓄电池电量在前一次修正容量的0%到20%, LED指示灯全灭,对于绝大多数铅酸蓄电池或者胶体蓄电池，是不被允许的，更多的时候，LED静态显示时，应该有一盏以上的LED指示灯是亮着的。放电至截止电压时，LED会闪烁，一盏LED指示灯闪烁表示以小于0. 05C的电流放电，两盏LED指示灯闪烁表示以介于0. 05C和0. IC的电流放电，三盏LED指示灯闪烁表示以介于0. IC和0. 2C的电流放电，四盏LED指示灯闪烁表示以介于0. 2C和0. 3C的电流放电，五盏LED指示灯闪烁表示以大于0. 3C的电流放电。在具体实施过程中，首先要对单片机模数转换器AD转换值和被测参量之间的关系进行标定，由于采用的都是线性电路，AD转换值和被测参量之间存在线性关系，以蓄电池电压采集电路为例，单片机模数转换器的AD转换值通过232串口发送到PC机的串口调试助手软件上，记录实际电压对应的AD值，得到下表
i Iif I=Al)
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28.OHVBH
29.()￡>02B 狐 12 DAG在Istopt软件中，对以上数据进行一次方程的拟合，得到关系式蓄电池电压=0.00861517874550284*AD+0. 01759633824197将这一关系式写进单片机程序，即单片机一旦得到AD值，经过该关系式运算就得到了蓄电池电压测量值。单片机是整个电路的中枢，它负责数据的采集、运算、判断和电量信息的输出控制，在具体实践中，中断程序负责数据的采集和掉电数据的存储，而主程序部分则是按图3所示运行，系统一上电，首先是单片机的初始化(包括读取存储在存储器中的蓄电池电量数据)，然后单片机的主程序进入死循环，在死循环中，如果蓄电池放电至规定的截止电压，LED指示灯的指示和“充电数据处理及电量指示”和“放电数据处理及电量指示”中的电量指示没有关系，LED只根据放电至截止电压时的放电电流闪烁LED的个数，而蓄电池一旦出现充电，LED指示灯不再闪烁；接着单片机主程序进入“满电量处理程序”，在这个程序块，单片机首先检测PV电压是否高于蓄电池电压，判断蓄电池是否处于充电状态并且电量大于80%，在此基础上，单片机检验蓄电池充电电流是否以很小的值维持了一段时间，如果是，则判断蓄电池已经充满电，这时候程序修改蓄电池的满电容量；之后单片机程序进入“放电数据处理及电量指示”程序段，在这个程序段中，蓄电池电量的减少将被精确记录，LED指示灯灭掉的个数，则准确显示了蓄电池电量的减少量，如果蓄电池放电电压低至规定的截止电压，该程序段会记录这一信息，并在下一个循环周期将这一信息带入“放电截止LED指示”程序段；紧接着单片机程序进入“充电数据处理及电量指示”程序段，该程序段精确显示了蓄电池电量的增加量，LED指示灯多点亮的个数准确反映了这一过程；之后程序进入下一次循环。至此，整个蓄电池电量监测电路叙述完毕。将上述蓄电池电量监测电路应用在图4所示的离网光伏发电系统中，为了得到更详细的结果，将单片机MCU的串口引至PC机，PC机的接收软件由VB编写，VB将接收的数据写入TXT文件，再由MATLAB读取数据进行处理。太阳能电池给蓄电池充电的曲线，如图5所示，由曲线可以看见，充电至3. 65个小时的时候，蓄电池充电电流current降低到很小的一个值，并且在这个值附近维持了一段时间，程序设置为这种状态保持半小时即可认为蓄电池已经达到充电饱和状态，即图中显示的电量charge的数值达到1，充电至约0. 7小时的时候，虽然充电电流也以一个很小的值维持了一段时间，但是不足半小时，并且蓄电池充电电压有一个较大的降落，因此程序没有误判蓄电池电量为充满状态，蓄电池充满电的电量值是48. 395AH，而不是蓄电池的额定安时50AH，48. 395AH将做为程序下面继续运行时的蓄电池的修正容量，曲线中表示的LED指示灯个数(LED num)由电量的相对值决定的,数据记录的LED num值和实验中观察到的一致。无太阳能电池情况下的蓄电池放电曲线，如图6所示，在一个多小时的放电过程中，放电电流current发生几次改变,蓄电池电压voltage也随之做反方向的波动,但是蓄电池电量charge呈单调减小趋势，放电至I. 315小时时，控制器关闭负载输出端，放电电流为0，蓄电池电压迅速回升，同时在实验中观察到有4盏LED指示灯在闪烁。随后一段时间，将太阳能电池接进系统，即图4所示的系统，4盏LED指示灯停止闪烁，并且恢复到只有两盏LED指示灯正常电量状态。由上面的叙述可见，LED指示灯准确显示了蓄电池电量的变化情况，准确判断了蓄 电池的满电状态，放电至截止电压时，LED指示灯的闪烁情况显示了放电率，用户根据LED指示灯闪烁的个数估测蓄电池剩余电量的大小，增加了用户体验。以上述依据本发明的理想实施例为启示，通过上述的说明内容，相关工作人员完全可以在不偏离本项发明技术思想的范围内，进行多样的变更以及修改。本项发明的技术性范围并不局限于说明书上的内容，必须要根据权利要求范围来确定其技术性范围。
权利要求
1.一种离网光伏发电系统中蓄电池电量监测装置，其特征是包括电源电路(I)、与电源电路(I)相连接的单片机MCU (2)、蓄电池电压采集电路(3)、太阳能电池组件电压采集电路(4)、蓄电池电流采集电路(5)、掉电电量数据存储电路(6)和电量信息指示(7)，所述的单片机MCU (2)内设置有第一模数转换器(21)、第二模数转换器(22)、第三模数转换器(23)和乘法器(24)，所述的蓄电池电压采集电路(3)与第一模数转换器(21)相连接，太阳能电池组件电压采集电路(4)与第二模数转换器(22)相连接，蓄电池电流采集电路(5)与第三模数转换器(23)相连接，掉电电量数据存储电路(6)与单片机MCU (2)双向连接，电量信息指示(7)与单片机MCU (2)输出端相连接。
2.根据权利要求I所述的ー种离网光伏发电系统中蓄电池电量监测装置，其特征是所述的蓄电池电压采集电路(3)包括电阻分压(31)、第一隔离跟随电路(32)和与第一模数转换器(21)相连接的第一滤波电路(33)，电阻分压(31)输出端与第一隔离跟随电路(32)相连接，第一隔离跟随电路(32)与第一滤波电路(33)相连接。
3.根据权利要求I所述的ー种离网光伏发电系统中蓄电池电量监测装置，其特征是 所述的太阳能电池组件电压采集电路(4)包括光耦电压转换电路(41)、第二隔离跟随电路(42)和与第二模数转换器(22)相连接的第二滤波电路(43)，光耦电压转换电路(41)输出端与第二隔离跟随电路(42)相连接，第二隔离跟随电路(42)与第二滤波电路(43)相连接。
4.根据权利要求I所述的ー种离网光伏发电系统中蓄电池电量监测装置，其特征是所述的蓄电池电流采集电路(5 )包括I/V转换电路(51)、加法电路(52 )和与第三模数转换器(23)相连接的第三滤波电路(53)，I/V转换电路(51)与加法电路(52)相连接，加法电路(52)与第三滤波电路(53)相连接。
5.根据权利要求I所述的ー种离网光伏发电系统中蓄电池电量监测装置，其特征是所述的电量信息指示(7 )包括LED指示灯(71)和与LED指示灯(71)串联的电阻(72 )，LED指示灯(71)通过电阻(72)与单片机MCU (2)的I/O ロ相连接。
全文摘要
本发明涉及一种离网光伏发电系统中蓄电池电量监测装置，单片机MCU内设置有第一模数转换器、第二模数转换器、第三模数转换器和乘法器，所述的蓄电池电压采集电路与第一模数转换器相连接，太阳能电池组件电压采集电路与第二模数转换器相连接，蓄电池电流采集电路与第三模数转换器相连接，掉电电量数据存储电路与单片机MCU双向连接，电量信息指示与单片机MCU输出端相连接。本发明的一种离网光伏发电系统中蓄电池电量监测装置，采用此种设计，能够有效地解决了蓄电池电量易变性的问题，准确判断了蓄电池的满电状态,放电至截止电压时，LED指示灯的闪烁情况显示了放电率，用户根据LED指示灯闪烁的个数估测蓄电池剩余电量的大小。
文档编号G01R31/36GK102768342SQ201210258928
公开日2012年11月7日 申请日期2012年7月25日 优先权日2012年7月25日
发明者邢毓华, 钟镇 申请人:常州合天电力设备有限公司