林金亮，胡新福，賴月華，黃鐘森

（1.閩西職業(yè)技術(shù)學(xué)院信息與制造學(xué)院，福建 龍巖364021；2.福建衛(wèi)東環(huán)保股份有限公司信息技術(shù)研究所，福建 龍巖364000）

0 引言

鎳氫電池作為早期鎳鎘電池替代產(chǎn)品，不僅有效消除重金屬元素鎘對環(huán)境造成的污染，同時(shí)也大大減小鎳鎘電池中存在的“記憶效應(yīng)”，在與其它二次電池如鋰電池、鉛酸電池等相比，鎳氫電池在相同體積下不僅具有較大能量密度比，而且在快速充電方面能使電池在數(shù)分鐘內(nèi)恢復(fù)儲(chǔ)能80%以上[1]，因而在許多領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用。然而，鎳氫電池在投入使用之前要經(jīng)過多次充放電使之激活即化成過程，國內(nèi)眾多小型廠商處理鎳氫電池化成能量主要是在化成設(shè)備末端加裝電阻放電裝置，消耗多余能量，該法雖然電路結(jié)構(gòu)簡單、成本低廉，但會(huì)造成極大能源浪費(fèi)，同時(shí)以電阻耗能解決化成能量還會(huì)造成系統(tǒng)整體溫度升高，進(jìn)而大大降低系統(tǒng)穩(wěn)定性和元件使用壽命；一些實(shí)力雄厚的廠家處理鎳氫電池化成能量則采用相控式有源逆變，實(shí)現(xiàn)化成能量的并網(wǎng)回饋，此法雖然能取到一定節(jié)能效果，但噪聲較大，輸出功率因數(shù)較低，對電網(wǎng)側(cè)容易造成諧波污染，因而該法在處理二次電池化成能量的設(shè)備中使用極其有限；有些高校和研究機(jī)構(gòu)提出在化成設(shè)備母線上搭載儲(chǔ)能裝置，放電時(shí)將鎳氫電池釋放的多余能量存入大容量儲(chǔ)能裝置，等到需要時(shí)再取出給鎳氫電池充電，該裝置有效提高了化成設(shè)備的能源利用率，但目前此法缺乏對系統(tǒng)協(xié)調(diào)控制的研究，導(dǎo)致節(jié)能效率不高，一般在30%以下[2]。

為進(jìn)一步解決節(jié)能問題，提高能源利用率，實(shí)現(xiàn)鎳氫電池化成系統(tǒng)能量高效回收，提出一種基于直流母線架構(gòu)、卡爾曼濾波算法、采用AC/DC和DC/DC變換等技術(shù)的能量回收裝置，對傳統(tǒng)電路進(jìn)行改進(jìn)和算法優(yōu)化，在保證鎳氫電池化成系統(tǒng)正常工作前提下使節(jié)能效率提高到46%以上。

1 能量回收系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)

鎳氫電池化成系統(tǒng)能量回收裝置采用儲(chǔ)能直流母線架構(gòu)，主要由微控制器模塊、高功率AC/DC模塊、儲(chǔ)能蓄電池組、耗能電路模塊及相應(yīng)的外圍電路等組成。微控制器模塊主要負(fù)責(zé)相關(guān)電路的控制及通過CAN總線上傳鎳氫電池組相關(guān)狀態(tài)參數(shù)，同時(shí)接收上位機(jī)下達(dá)的指令。AC/DC模塊將220V/380V交流電整流為36 V直流電，在微處理器協(xié)調(diào)控制下為能量回收系統(tǒng)提供能量補(bǔ)給，實(shí)現(xiàn)能量單方向流動(dòng)；儲(chǔ)能蓄電池則通過36 V直流母線實(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)儲(chǔ)能，能量可以雙向流動(dòng)；耗能電路則消耗掉母線上多余能量，保證系統(tǒng)在化成過程安全可靠運(yùn)行。微處理器模塊在化成過程中根據(jù)檢測到的數(shù)據(jù)決定是否為母線釋放能量或往直流母線補(bǔ)能，在確保系統(tǒng)化成過程安全前提下，盡可能多將鎳氫電池釋放的能量存儲(chǔ)在儲(chǔ)能蓄電池中，從而避免能源浪費(fèi)，實(shí)現(xiàn)能量高效回收。化成系統(tǒng)能量回收裝置整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖1所示。

圖1 化成系統(tǒng)能量回收裝置整體設(shè)計(jì)圖

2 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)

2.1 微處理的選擇

控制板電路設(shè)計(jì)采用美國TI公司微處理器MSP430F149，其不僅具有豐富的外設(shè)，如12位A/D轉(zhuǎn)換器、溫度傳感器、定時(shí)監(jiān)視器（WDT）等，而且還具有超大容量FLASH存儲(chǔ)空間和強(qiáng)大運(yùn)算處理能力，集成的A/D轉(zhuǎn)換器和溫度傳感器可以非常方便對化成電壓、電流進(jìn)行檢測以及在不同溫度下對荷電量的補(bǔ)償，同時(shí)也可大大節(jié)省電路設(shè)計(jì)的外圍空間，尤其是低電壓、低功耗模式使自身系統(tǒng)耗電量極低，可極大提高系統(tǒng)對鎳氫電池和直流母線蓄電池能量檢測的精度。

2.2 耗能電路設(shè)計(jì)

耗能電路在微控制器MSP430F149的控制下實(shí)現(xiàn)對化成系統(tǒng)多余能量進(jìn)行消耗，主要起電路保護(hù)作用，通過將繼電器和功率電阻串接在36 V直流母線上，通過控制繼電器的開關(guān)來選擇是否將功率電阻RPM600接入母線進(jìn)行耗能，該種方案結(jié)構(gòu)簡單，控制方便。當(dāng)控制信號控制繼電器打開時(shí)，耗能電阻接入母線，母線進(jìn)行耗能；控制信號控制繼電器關(guān)閉，耗能電阻從直流母線斷開，停止耗能，耗能電路與單片機(jī)的接口如圖2所示。

圖2 單片機(jī)與耗能電阻接口電路圖

2.3 AC/DC模塊電路設(shè)計(jì)

AC/DC模塊設(shè)計(jì)以Boost斬波升壓電路為核心，配以功率因素校正電路，將整流后的24 V直流電壓升壓成36V直流電向儲(chǔ)能直流母線充電。功率因數(shù)校正電路UCC28019芯片第8腳接入J1端口，J1端口有PWM信號輸入時(shí)，功率管Q1導(dǎo)通，交流市電經(jīng)變壓器及整流電路后從J2、J3端口輸入直流電壓，此時(shí)直流電壓幾乎全部加在電感L1兩端，此時(shí)電感L1極性呈左正右負(fù)狀態(tài)，快恢復(fù)二極管D2則處于反偏截止，電流經(jīng)電感L1和功率管Q1流回電源負(fù)極，電感電流iL線性上升，電感L1不斷將電能轉(zhuǎn)換為磁能蓄積起來。當(dāng)J1口無PWM信號輸入時(shí)，Q1截止，L1因自感電動(dòng)勢的存在使電感兩端極性轉(zhuǎn)為右正左負(fù)，此時(shí)D2導(dǎo)通，L1釋放儲(chǔ)能，電感電流iL線性下降；Boost電路在輸入直流電壓Ui和電感電壓UL共同作用下，經(jīng)二極管D2和電容濾波后向儲(chǔ)能直流母線充電。Boost斬波升壓電路如圖3所示。

圖3 Boost斬波升壓設(shè)計(jì)電路

2.4 DC/DC模塊電路設(shè)計(jì)

DC/DC模塊是鎳氫電池化成系統(tǒng)重要組成部分，具有雙向轉(zhuǎn)換功能，在MSP430單片機(jī)PWM信號協(xié)調(diào)控制下給鎳氫電池組充放電。鎳氫電池組充電時(shí)，DC/DC模塊將36 V直流母線電壓轉(zhuǎn)換為12 V輸出電壓。放電時(shí)，DC/DC模塊反向?qū)㈦姵亟M釋放的能量通過母線儲(chǔ)存在蓄電池組中。DC/DC模塊電路設(shè)計(jì)采用IRS21867作為變換器驅(qū)動(dòng)芯片，其供電電壓低、驅(qū)動(dòng)電流大，且內(nèi)含高速功率MOSFET和IGBT驅(qū)動(dòng)器，結(jié)合具有超低柵極驅(qū)動(dòng)電荷和米勒電容、低熱阻的N溝道場效應(yīng)管CSD19536，可在功率轉(zhuǎn)換中最大限度降低能耗，轉(zhuǎn)換效率可達(dá)94%~96%，在放電過程也可節(jié)省90%~93%電能損失[3]，DC/DC模塊BUCK-BOOST主回路電路如圖4所示。

圖4 DC/DC模塊BUCK-BOOST主回路電路

3 系統(tǒng)關(guān)鍵軟件設(shè)計(jì)

3.1 電池電量檢測算法

電池電量SOC的檢測主要是檢測鎳氫電池和儲(chǔ)能蓄電池的電量，檢測的方法主要有開路電壓法、安時(shí)積分法、卡爾曼濾波法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測法等，開路電壓法實(shí)時(shí)估計(jì)電池電量需要較長靜置時(shí)間，因此不適合化成系統(tǒng)需要不斷充放電的場合。安時(shí)積分法從公式（1）可以看出，其電池電量的測量不僅與電流測量準(zhǔn)確度和電池初始容量有關(guān)，而且對電池容量的估計(jì)還具有誤差累積效應(yīng)。

式中SOC0為電池初始容量，CN為電池標(biāo)稱容量，it為電池端口實(shí)時(shí)電流值，SOCt為t時(shí)刻蓄電池實(shí)時(shí)容量，η為校正因子。電池電量SOC神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測具有在線滾動(dòng)優(yōu)化指標(biāo)和反饋?zhàn)孕Ｕ呗?，具有較好的魯棒性和穩(wěn)定性，但不具有線性和疊加性，而且程序算法較為復(fù)雜?？柭鼮V波技術(shù)作為一種用于動(dòng)態(tài)目標(biāo)跟蹤與最佳估計(jì)的算法，只需要當(dāng)前一個(gè)測量值和前一個(gè)采樣周期的預(yù)測值就能進(jìn)行狀態(tài)的準(zhǔn)確估計(jì)，尤其是電池電量SOC受到環(huán)境溫度、蓄電池老化以及充放電電流倍率等噪聲影響情況下更具有優(yōu)越性，因而也可以認(rèn)為電池的系統(tǒng)方程和觀測方程是非線性的，因此在應(yīng)用卡爾曼濾波技術(shù)之前必須進(jìn)行線性化處理。構(gòu)建系統(tǒng)電池的系統(tǒng)方程和觀測方程如方程（2）所示：

對上面公式進(jìn)行離散化后，即可得蓄電池離散狀態(tài)空間模型：

式中實(shí)時(shí)變量SOCk用xk表示，觀測變量Wt用yk表示。

則電池狀態(tài)方程和觀測方程可以分別表示為：xk+1=f（xk，yk）和yk=h（xk，yk）。

設(shè)電池初始狀態(tài)值估計(jì)的協(xié)方差P0=0，k=1，2，……，遞推可得：

誤差協(xié)方差陣：P（k+1）=P（k+1/k）-K（k+1）S（k+1）KT（k+1）

卡爾曼增益矩陣：K（k+1）=P（k+1/k）HT（k+1）-K（k+1）S-1（k+1）

在采集電池電量時(shí)，Kalman濾波器根據(jù)當(dāng)前檢測值與先前狀態(tài)量在時(shí)間上首先進(jìn)行第一次更新，獲得狀態(tài)量及誤差協(xié)方差先驗(yàn)估計(jì)，并將其估計(jì)值傳送至后續(xù)的狀態(tài)更新；Kalman濾波器在狀態(tài)更新時(shí)將根據(jù)實(shí)時(shí)觀測值對前一階段先驗(yàn)估計(jì)值進(jìn)行修正，得到誤差協(xié)方差后驗(yàn)估計(jì)和狀態(tài)量，如此不斷循環(huán)[5]，其算法流程如圖5所示。

圖5 電池電量檢測軟件算法流程圖

3.2 電池充電管理軟件設(shè)計(jì)

在對MH-Ni電池進(jìn)行充電時(shí)，檢測其充電飽和條件：一是根據(jù)設(shè)置的充電飽和時(shí)間進(jìn)行判斷；二是根據(jù)MH-Ni電池的充電特性，當(dāng)T1時(shí)刻電壓V2小于T0時(shí)刻電壓V1，即當(dāng)△V＝V2-V1為負(fù)時(shí)，說明電池充電已達(dá)飽和狀態(tài)，應(yīng)停止充電，充電控制軟件設(shè)計(jì)流程圖如圖6所示。

圖6 充電控制軟件設(shè)計(jì)流程圖

3.3 下位機(jī)通信軟件設(shè)計(jì)

下位機(jī)通信軟件是系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)的關(guān)鍵部分，承擔(dān)著采集數(shù)據(jù)上傳和接收上位機(jī)控制指令的任務(wù)，其通信軟件設(shè)計(jì)主要采取串行口中斷的模式進(jìn)行函數(shù)的編制，流程圖如圖7所示。

圖7 下位機(jī)通信軟件整體設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)圖

3.4 上位機(jī)程序總體設(shè)計(jì)

能量回收系統(tǒng)上位機(jī)軟件統(tǒng)籌著整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行，不僅可以遠(yuǎn)距離監(jiān)控下位機(jī)及現(xiàn)場的運(yùn)行狀態(tài)，而且可以改善操控人員的工作環(huán)境，其設(shè)計(jì)軟件主流一般有VB、VC++、Dephi、C#和組態(tài)王等應(yīng)用型軟件，考慮到系統(tǒng)需要實(shí)時(shí)監(jiān)測設(shè)備的運(yùn)行情況，加上VB功能強(qiáng)大且簡單易學(xué)的特點(diǎn)，因而在上位機(jī)監(jiān)控軟件的設(shè)計(jì)中選用VB進(jìn)行程序開發(fā)。上位機(jī)系統(tǒng)軟件主要由電池化成控制部分和數(shù)據(jù)分析軟件部分，其整體結(jié)構(gòu)功能如圖8所示。

圖8 上位機(jī)系統(tǒng)軟件整體功能設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)圖

化成方案選擇主要選擇恒流充電或者恒壓充電，并設(shè)置各種保護(hù)措施以防止電池過充和過放，用戶權(quán)限管理主要針對生產(chǎn)操作人員和非操作人員的操作權(quán)限進(jìn)行限制，系統(tǒng)通信模塊主要作用為與下位機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，實(shí)時(shí)采集電池的電壓及充電電流數(shù)據(jù)，并對下位機(jī)能量回收系統(tǒng)進(jìn)行控制，精度系數(shù)調(diào)節(jié)模塊對充電電壓和電流進(jìn)行微調(diào)以防對二次電池?fù)p傷，分容選配組模塊根據(jù)電池測試數(shù)據(jù)快速準(zhǔn)確將性能相近的電池分類配組，可實(shí)現(xiàn)電池組內(nèi)單體電池特性的一致性，從而提高電池組的壽命，能量數(shù)據(jù)分析模塊根據(jù)充電電壓和電流以及時(shí)長可實(shí)現(xiàn)能量的計(jì)算與分析并顯示。

4 系統(tǒng)測試結(jié)果與分析

系統(tǒng)測試采用10節(jié)型號為7/5F6C鎳氫電池串聯(lián)成電池組，通過下位機(jī)電路按鍵或上位機(jī)軟件設(shè)定，以恒流1 000 mA對串聯(lián)鎳氫電池組進(jìn)行充電，以恒流2 000 mA對鎳氫電池組進(jìn)行放電，充放電過程因電池組兩端電壓U1不斷變化，故分別選取在儲(chǔ)能蓄電池充滿能量情況下對充放電初、中、末、滿/終四個(gè)典型狀態(tài)進(jìn)行系統(tǒng)電壓電流及整體節(jié)能效果的測試，測試系統(tǒng)實(shí)物圖如圖9所示。

圖9 鎳氫電池化成系統(tǒng)測試實(shí)物圖

4.1 DC-DC變換器充放電效率測試

在系統(tǒng)測試電路中，設(shè)加在串聯(lián)鎳氫電池組兩端的電壓為U1，流經(jīng)的電流值為I1，儲(chǔ)能母線上電壓值為U2，流入DC-DC模塊的電流值大小為I2，則變換器效率η1＝P1/P2×100% ＝U1I1/U2I2×100%。測得DC/DC變換器充放電效率如表1和表2所示。

表1 DC-DC變換器充電效率測試數(shù)據(jù)表

表2 DC-DC變換器放電效率測試數(shù)據(jù)表

從表1和表2可以看出，能量回收系統(tǒng)在充放電模式下對母線電壓影響不是很大，均能穩(wěn)定在36 V附近，充電模式下變換效率總體略高于放電模式，雖然略有不同，但效率均能保持在90%以上，為系統(tǒng)能量進(jìn)一步高效回收提供有力保障。

4.2 系統(tǒng)能量回收整體效率測試

設(shè)系統(tǒng)無能量回收時(shí)電池完成一次化成過程需要消耗電能為E，有能量回收裝置時(shí)消耗電能為E′，則節(jié)能效率計(jì)算公式η＝（E-E′）/E×100%。系統(tǒng)測試分三種方案進(jìn)行，方案一采用無儲(chǔ)能裝置進(jìn)行測試，此時(shí)系統(tǒng)所需耗電量即AC/DC提供給電池組全程的充電量，考慮到AC/DC模塊也有能量損耗，故可將數(shù)字式電能表至于AC/DC模塊后端直接讀出充電前后數(shù)據(jù)差值即可算出無能量回收時(shí)系統(tǒng)總耗電量；方案二采用控制AC/DC和耗能電阻開關(guān)量的策略，不對系統(tǒng)工作電流進(jìn)行跟蹤控制；方案三采用完整控制策略對系統(tǒng)能量進(jìn)行精確管理，即對AC/DC工作電流實(shí)時(shí)進(jìn)行跟蹤和控制。能量回收系統(tǒng)三種方案節(jié)能效果整體測試如表3所示。

表3 能量回收系統(tǒng)整體節(jié)能效果測試

通過表3可以看出，采用電流跟蹤控制的方案三可以顯著提升化成系統(tǒng)的節(jié)能效果，相比目前市面上有儲(chǔ)能裝置的化成設(shè)備，其節(jié)能效率可提高17.3%。

5 結(jié)束語

在鎳氫電池化成系統(tǒng)中提出了一種基于MSP430單片機(jī)實(shí)現(xiàn)的能量回收裝置，通過對傳統(tǒng)電路進(jìn)行改進(jìn)和優(yōu)化，以及采用擴(kuò)展卡爾曼濾波技術(shù)提高系統(tǒng)對電池的測量精度，不僅有效防止電池過充過放，增加電池工作時(shí)間和使用壽命，而且有效解決電池化成測試過程中電能大量浪費(fèi)或節(jié)能效率不高的問題。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，鎳氫電池化成系統(tǒng)能量回收裝置可以將整體節(jié)能效率提高至46%以上，自行設(shè)計(jì)的AC-DC和DC-DC變換器轉(zhuǎn)換能效也達(dá)到了90%以上，目前，能量回收系統(tǒng)已在某公司化成設(shè)備中試運(yùn)行，節(jié)能效果良好。