專利名稱：一種離網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)中蓄電池電量監(jiān)測裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及蓄電池電量監(jiān)測的領(lǐng)域，尤其是一種離網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)中蓄電池電量監(jiān)測裝置。
背景技術(shù)：
在離網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)中，蓄電池是儲能部件的優(yōu)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(jù)，因此蓄電池電量是光伏系統(tǒng)運行狀態(tài)的重要參數(shù)，設(shè)計一種監(jiān)測蓄電池電量的裝置就顯得十分必要。監(jiān)測蓄電池電量和很多辦法，其中基于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(fā)生改變，即蓄電池滿電時的電量是時刻在發(fā)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(guī)定的截止電壓時其剩余電量是不一致的。因此，這種基于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(guān)注的事情。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是為了克服上述中存在的問題，提供一種離網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)中蓄電池電量監(jiān)測裝置，能夠有效地控制蓄電池蓄電容量的易變性和剩余電量的不確定性，為使用含有浮充或者恒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，并且蓄電池的充電電流以一個數(shù)值很小的電流維持了一段時間，就認為蓄電池已經(jīng)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(fā)明解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是一種離網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)中蓄電池電量監(jiān)測裝置，包括電源電路、與電源電路相連接的單片機MCU、蓄電池電壓采集電路、蓄電池電流采集電路、太陽能電池組件電壓采集電路、掉電電量數(shù)據(jù)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(nèi)設(shè)置有第一模數(shù)轉(zhuǎn)換器、第二模數(shù)轉(zhuǎn)換器、第三模數(shù)轉(zhuǎn)換器和乘法器，所述的蓄電池電壓采集電路與第一模數(shù)轉(zhuǎn)換器相連接，太陽能電池組件電壓采集電路與第二模數(shù)轉(zhuǎn)換器相連接，蓄電池電流采集電路與第三模數(shù)轉(zhuǎn)換器相連接，掉電電量數(shù)據(jù)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(guī)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，剩余電量越大，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。所述的蓄電池電壓采集電路包括電阻分壓、第一隔離跟隨電路和與第一模數(shù)轉(zhuǎn)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采集電路包括光耦電壓轉(zhuǎn)換電路、第二隔離跟隨電路和與第二模數(shù)轉(zhuǎn)換器相連接的第二濾波電路，光耦電壓轉(zhuǎn)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。所述的蓄電池電流采集電路包括I/V轉(zhuǎn)換電路、加法電路和與第三模數(shù)轉(zhuǎn)換器相連接的第三濾波電路，I/V轉(zhuǎn)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(lián)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(shù)代表剩余電量的范圍，放電至截止電壓時，以LED指示燈閃爍的個數(shù)代表放電率的情況。本發(fā)明的有益效果是，本發(fā)明的一種離網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)中蓄電池電量監(jiān)測裝置，采用此種設(shè)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(tài)，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(jù)LED指示燈閃爍的個數(shù)估測蓄電池剩余電量的大小。


下面結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明進一步說明。圖I是本發(fā)明的結(jié)構(gòu)框圖；圖2是本發(fā)明的蓄電池電量監(jiān)測硬件的電路原理圖；圖3是本發(fā)明的單片機主程序流程示意圖；圖4是本發(fā)明的蓄電池電量監(jiān)測裝置應(yīng)用示意圖；圖5是本發(fā)明的蓄電池充電曲線示意圖；圖6是本發(fā)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(shù)轉(zhuǎn)換器，22.第二模數(shù)轉(zhuǎn)換器，23.第三模數(shù)轉(zhuǎn)換器，24.乘法器，3.蓄電池電壓采集電路，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采集電路，41.光耦電壓轉(zhuǎn)換電路，42.第二隔離跟隨電路，43.第二濾波電路，5.蓄電池電流采集電路，51. I/V轉(zhuǎn)換電路，52.加法電路，53.第三濾波電路，6.掉電電量數(shù)據(jù)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(xiàn)在結(jié)合附圖對本發(fā)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(fā)明的基本結(jié)構(gòu)，因此其僅顯示與本發(fā)明有關(guān)的構(gòu)成。如圖I所示的一種離網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)中蓄電池電量監(jiān)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，蓄電池電壓采集電路3、太陽能電池組件電壓采集電路4、蓄電池電流采集電路5、掉電電量數(shù)據(jù)存儲電路6和電量信息指示7，單片機MCU2內(nèi)設(shè)置有第一模數(shù)轉(zhuǎn)換器21、第二模數(shù)轉(zhuǎn)換器22、第三模數(shù)轉(zhuǎn)換器23和乘法器24，蓄電池電壓采集電路3內(nèi)的第一濾波電路33與第一模數(shù)轉(zhuǎn)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采集電路4內(nèi)的第二濾波電路43與第二模數(shù)轉(zhuǎn)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(zhuǎn)換電路41相連接，蓄電池電流采集電路5內(nèi)的第三濾波電路53與第三模數(shù)轉(zhuǎn)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(zhuǎn)換電路51相連接，掉電電量數(shù)據(jù)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(lián)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(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)中蓄電池電量監(jiān)測裝置，單片機MCU是主控芯片，單片機MCU內(nèi)置12位模數(shù)轉(zhuǎn)換器ADC和一個硬件乘法器，可以滿足本發(fā)明的數(shù)據(jù)采集需要和數(shù)據(jù)運算要求，蓄電池電流采集電路(Battery current sensor)是本發(fā)明最重要的數(shù)據(jù)采集電路，該電路使用高精密運算放大器0P07，電阻采用低溫漂精密電阻，運放OPlA和電阻Rl、R2、R3、R22組成第一級I/V數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)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(shù)據(jù)轉(zhuǎn)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(shù)據(jù)轉(zhuǎn)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(zhuǎn)換為正極性電壓，以便電壓落在單片機模數(shù)轉(zhuǎn)換器ADC可接受的電壓范圍內(nèi)，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(yīng)不同的ADC轉(zhuǎn)換值，放電和充電的ADC值正好處于兩極區(qū)間。蓄電池電壓采集電路(Battery voltagesensor)和太陽能電池組件電壓采集電路(PV voltage sensor)是本系統(tǒng)必要的輔助電路。在蓄電池電壓采集電路中，R23和R24組成蓄電池電壓分壓電路，經(jīng)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，隨后進入單片機模數(shù)轉(zhuǎn)換器ADC，在太陽能電池組件電壓采集電路中，由于很多光伏發(fā)電系統(tǒng)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，采用線性光耦PC817采集太陽能電池組件的電壓，后續(xù)的處理電路和蓄電池電壓采集電路一致。用五個LED指示燈指示當前的蓄電池電量，LED和電阻串聯(lián)，由單片機的I/O 口直接驅(qū)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,對于絕大多數(shù)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(tài)顯示時，應(yīng)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于0. 05C的電流放電，兩盞LED指示燈閃爍表示以介于0. 05C和0. IC的電流放電，三盞LED指示燈閃爍表示以介于0. IC和0. 2C的電流放電，四盞LED指示燈閃爍表示以介于0. 2C和0. 3C的電流放電，五盞LED指示燈閃爍表示以大于0. 3C的電流放電。在具體實施過程中，首先要對單片機模數(shù)轉(zhuǎn)換器AD轉(zhuǎn)換值和被測參量之間的關(guān)系進行標定，由于采用的都是線性電路，AD轉(zhuǎn)換值和被測參量之間存在線性關(guān)系，以蓄電池電壓采集電路為例，單片機模數(shù)轉(zhuǎn)換器的AD轉(zhuǎn)換值通過232串口發(fā)送到PC機的串口調(diào)試助手軟件上，記錄實際電壓對應(yīng)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軟件中，對以上數(shù)據(jù)進行一次方程的擬合，得到關(guān)系式蓄電池電壓=0.00861517874550284*AD+0. 01759633824197將這一關(guān)系式寫進單片機程序，即單片機一旦得到AD值，經(jīng)過該關(guān)系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(shù)據(jù)的采集、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(shù)據(jù)的采集和掉電數(shù)據(jù)的存儲，而主程序部分則是按圖3所示運行，系統(tǒng)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(shù)據(jù))，然后單片機的主程序進入死循環(huán)，在死循環(huán)中，如果蓄電池放電至規(guī)定的截止電壓，LED指示燈的指示和“充電數(shù)據(jù)處理及電量指示”和“放電數(shù)據(jù)處理及電量指示”中的電量指示沒有關(guān)系，LED只根據(jù)放電至截止電壓時的放電電流閃爍LED的個數(shù)，而蓄電池一旦出現(xiàn)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電壓是否高于蓄電池電壓，判斷蓄電池是否處于充電狀態(tài)并且電量大于80%，在此基礎(chǔ)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(jīng)充滿電，這時候程序修改蓄電池的滿電容量；之后單片機程序進入“放電數(shù)據(jù)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(shù)，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(guī)定的截止電壓，該程序段會記錄這一信息，并在下一個循環(huán)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(shù)據(jù)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(shù)準確反映了這一過程；之后程序進入下一次循環(huán)。至此，整個蓄電池電量監(jiān)測電路敘述完畢。將上述蓄電池電量監(jiān)測電路應(yīng)用在圖4所示的離網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)中，為了得到更詳細的結(jié)果，將單片機MCU的串口引至PC機，PC機的接收軟件由VB編寫，VB將接收的數(shù)據(jù)寫入TXT文件，再由MATLAB讀取數(shù)據(jù)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，并且在這個值附近維持了一段時間，程序設(shè)置為這種狀態(tài)保持半小時即可認為蓄電池已經(jīng)達到充電飽和狀態(tài)，即圖中顯示的電量charge的數(shù)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，并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(tài)，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(xù)運行時的蓄電池的修正容量，曲線中表示的LED指示燈個數(shù)(LED num)由電量的相對值決定的,數(shù)據(jù)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(fā)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(diào)減小趨勢，放電至I. 315小時時，控制器關(guān)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。隨后一段時間，將太陽能電池接進系統(tǒng)，即圖4所示的系統(tǒng)，4盞LED指示燈停止閃爍，并且恢復(fù)到只有兩盞LED指示燈正常電量狀態(tài)。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(tài)，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(jù)LED指示燈閃爍的個數(shù)估測蓄電池剩余電量的大小，增加了用戶體驗。以上述依據(jù)本發(fā)明的理想實施例為啟示，通過上述的說明內(nèi)容，相關(guān)工作人員完全可以在不偏離本項發(fā)明技術(shù)思想的范圍內(nèi)，進行多樣的變更以及修改。本項發(fā)明的技術(shù)性范圍并不局限于說明書上的內(nèi)容，必須要根據(jù)權(quán)利要求范圍來確定其技術(shù)性范圍。
權(quán)利要求
1.一種離網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)中蓄電池電量監(jiān)測裝置，其特征是包括電源電路(I)、與電源電路(I)相連接的單片機MCU (2)、蓄電池電壓采集電路(3)、太陽能電池組件電壓采集電路(4)、蓄電池電流采集電路(5)、掉電電量數(shù)據(jù)存儲電路(6)和電量信息指示(7)，所述的單片機MCU (2)內(nèi)設(shè)置有第一模數(shù)轉(zhuǎn)換器(21)、第二模數(shù)轉(zhuǎn)換器(22)、第三模數(shù)轉(zhuǎn)換器(23)和乘法器(24)，所述的蓄電池電壓采集電路(3)與第一模數(shù)轉(zhuǎn)換器(21)相連接，太陽能電池組件電壓采集電路(4)與第二模數(shù)轉(zhuǎn)換器(22)相連接，蓄電池電流采集電路(5)與第三模數(shù)轉(zhuǎn)換器(23)相連接，掉電電量數(shù)據(jù)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(jù)權(quán)利要求I所述的ー種離網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)中蓄電池電量監(jiān)測裝置，其特征是所述的蓄電池電壓采集電路(3)包括電阻分壓(31)、第一隔離跟隨電路(32)和與第一模數(shù)轉(zhuǎn)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(jù)權(quán)利要求I所述的ー種離網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)中蓄電池電量監(jiān)測裝置，其特征是 所述的太陽能電池組件電壓采集電路(4)包括光耦電壓轉(zhuǎn)換電路(41)、第二隔離跟隨電路(42)和與第二模數(shù)轉(zhuǎn)換器(22)相連接的第二濾波電路(43)，光耦電壓轉(zhuǎn)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(jù)權(quán)利要求I所述的ー種離網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)中蓄電池電量監(jiān)測裝置，其特征是所述的蓄電池電流采集電路(5 )包括I/V轉(zhuǎn)換電路(51)、加法電路(52 )和與第三模數(shù)轉(zhuǎn)換器(23)相連接的第三濾波電路(53)，I/V轉(zhuǎn)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(jù)權(quán)利要求I所述的ー種離網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)中蓄電池電量監(jiān)測裝置，其特征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(lián)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(fā)明涉及一種離網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)中蓄電池電量監(jiān)測裝置，單片機MCU內(nèi)設(shè)置有第一模數(shù)轉(zhuǎn)換器、第二模數(shù)轉(zhuǎn)換器、第三模數(shù)轉(zhuǎn)換器和乘法器，所述的蓄電池電壓采集電路與第一模數(shù)轉(zhuǎn)換器相連接，太陽能電池組件電壓采集電路與第二模數(shù)轉(zhuǎn)換器相連接，蓄電池電流采集電路與第三模數(shù)轉(zhuǎn)換器相連接，掉電電量數(shù)據(jù)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(fā)明的一種離網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)中蓄電池電量監(jiān)測裝置，采用此種設(shè)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(tài),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(jù)LED指示燈閃爍的個數(shù)估測蓄電池剩余電量的大小。
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(yōu)先權(quán)日2012年7月25日
發(fā)明者邢毓華, 鐘鎮(zhèn) 申請人:常州合天電力設(shè)備有限公司