光伏无人机智能充电站内太阳能蓄电池组充放电控制的研究

凌 凯 ，杨张鑫 ，丁 菊 ，潘丽平 ，汤 娄 ，张智豪 ，周 舟

（南通理工学院电气与能源工程学院，江苏 南通 226001）

0 引言

为积极应对气候变化，调节能源结构，我国持续推进在新能源领域的发展。同时，现阶段的太阳能光伏技术已经十分成熟，光伏发电技术中独立式光伏发电主要面向小型负载，并且其因具有灵活便捷的特点而被应用于很多领域。随着科技时代的发展，无人机已经被广泛应用于多个公用事业领域，比如电力巡检、农田灌溉等，但是无人机的续航能力一直是一个不可忽略的问题。如何克服小型无人机续航能力低的弱点，扩大其任务执行范围，成为小型无人机广泛应用的关键。目前，解决无人机续航问题的措施主要有人工更换电池和实时充电两类，实时充电耗时长、安全性能低，现阶段还是多采用人工更换电池的方式。电池能源主要来源于市电，市电中火力发电还是占较大比例，且需要人力将充好电的多块电池运输至无人机工作地点以便更换。因此，在考虑多方面的因素后，研究小组设计了一个光伏无人机智能充电站，并对自行设计的光伏无人机智能充电站内的太阳能蓄电池组充放电控制器展开了研究。

光伏无人机智能充电站由太阳能电池组件、控制器、蓄电池等组成。蓄电池与太阳能电池组件的发展已经比较成熟，但由于使用场所的不同，对控制器性能的要求更为多样化。蓄电池是电力电源系统中直流供电系统的重要组成部分，为电力系统中二次系统负载提供可靠的电力保障。为了提高系统的稳定性，减少系统故障，延长蓄电池的使用寿命，使系统的效率最大化，设计由电压采集、充电控制和放电控制等所构成的太阳能蓄电池组充放电控制器[1]。

1 系统设计方案

系统由模数转换模块、温度传感模块、屏幕显示模块、电流传感模块和主控模块这五个模块组成。首先，电池数据输入模数转换器，模数转换器采集数据，将采集到的数值存入数组中，再把数据输入至单片机，显示屏显示出各个电池的电压信息和电流信息，接着充电模块的电压检测器、电流检测器和温度检测器对电池的电压、电流和温度进行检测，当符合设计标准时，单片机控制蓄电池充放电。系统结构框图如图1所示。

图1 系统结构框图

2 充放电控制电路设计

充放电控制电路包括五个模块，分别为模数转换模块、温度传感模块、屏幕显示模块、电流传感模块和主控模块。模数转换模块将并行二进制的数字量转换为直流电压或直流电流，用作过程控制计算机系统的输出通道与执行器相连，实现对生产过程的自动控制[2]。温度传感模块用于检测电池温度，感受温度并转换成可用输出信号[3]。屏幕显示模块通过液晶显示屏显示各个电池的电压信息和电流信息。电流传感模块将检测到的信息内容转化成电信号传输至屏幕显示模块。主控模块用单片机控制蓄电池充放电。

2.1 模数转换模块

模数转换模块通过ADC0808 的八个输入引脚IN0 至IN7 来对数值进行存储，并通过OUT1 至OUT8 八个输出位，将转换后的数据传输到单片机中，模数转换模块是无人机充电相关数据进入系统后进行的第一环节的处理模块，是整个系统中最重要的一环。模数转换模块如图2所示。

图2 模数转换模块

2.2 温度传感模块

主控模块通过charge1、charge2、charge3 等引脚控制着整个温度传感模块的充放电，该模块是整个系统实现充放电功能的体现。模块中，以滑动变阻器来代替实现电池温度及电压的显示功能。通常情况下，任何电池温度大于60 ℃（13%电阻值）时，停止给所有电池充电；当被充电电池电压达到4.4 V 时，停止给该电池充电，并为剩下两个电池中电压值更接近4.4 V的电池充电。温度传感模块如图3所示。

图3 温度传感模块

2.3 电流传感模块

该模块采用ACS712 霍尔电流传感器，霍尔传感器测量电路和输出电路完全绝缘[4]。传感器检测到被测电流的相关信息，显示出电流大小，并将检测到的信息内容转化成电信号传输至屏幕显示模块，电流传感模块在此系统中最大的作用是检测温度传感模块的稳定性，证明系统能够稳定运行。同时，可以通过检测到的电流信息来判断其是否为恒流充电。霍尔电流传感器如图4 所示。

图4 霍尔电流传感器

2.4 屏幕显示模块

屏幕显示模块是该系统的最后一环，用于方便监控和调试维修该系统的各个模块，同样不可或缺。通过LCD1602 液晶显示屏显示各个电池的电压信息和电流信息，让系统信息一目了然，一般不会发生闪烁的现象，可以较长时间维持最佳色彩、亮度。液晶显示屏的重量更轻，体积更小，并在内部驱动IC，有效降低了功耗，可以降低蓄电池组充放电控制的功耗[5]。屏幕显示模块如图5所示。

图5 屏幕显示模块

2.5 主控模块

AT89C51单片机作为主控模块的核心，承担着支配整个充放电系统各模块任务的功能，主控模块作为系统的大脑，从模数转换器中接收数据后，通过判断数据类型等一系列程序，给温度传感模块各组件分配任务，从而实现温度传感模块的充电功能，因为最重要的外部代码是通过AT89C51 单片机来控制该系统的，因此整个主控模块也是围绕单片机进行运转，其中，各组件也为单片机提供运行动力。主控模块如图6所示。

图6 主控模块

3 软件设计

在蓄电池组充放电控制器的设计中，控制部件主要选择AT89C51单片机，设计时运用C语言。设计的软件程序包括主程序、电压采集程序、显示程序等。

3.1 主程序

通过AD0、AD1 信号确定太阳能电池和蓄电池是否连接到回路中，没有连接时电压采集输出为0。如果检测到其中一个信号为0，则不进行充电控制。当两个信号都有电压时，在没有连接负载的情况下，蓄电池开始充电，待充满后处于浮充状态，无限循环。当接入负载后，通过转换开关切换到放电状态，进行放电控制，但当蓄电池电压下降到设定的下限或中途负载被拔掉时，则会停止放电。充放电控制较为类似，这里就只阐述充电控制部分的软件设计[6]。主程序流程如图7所示。

图7 主程序流程

3.2 电压采集程序

AD 转换器每5 μs 进行一次数据收集，将得到的数据存入数组中，同时向电压采集装置发送数据，电压采集装置接收数据，设定代表电压温度的滑动变阻器阻值为1.3 kΩ 时，程序停止充电，设定电池电压大于4.4 V 时，程序停止为该电池充电，4.4 V 即为该电池满电电压，有电池满电后，判断剩下两个电池的电压情况，将电压较高的电池予以优先充电。电压采集流程如图8所示。

图8 电压采集流程

3.3 显示程序

设置液晶工作模式为16*2 行显示，5*7 点阵，8位数据，利用LCD1602 液晶显示屏可以显示各个电池的电压信息和电流信息[7]，有利于更加直观地观察电压和电流信息，判断其是否为恒流电流。

4 功能调试与分析

分别以相同电压下的不同温度，相同温度下的不同电压进行检测，从而观察各个电池充放电情况并记录。

4.1 充放电检测

当电压值相同时，即同为30%电阻值，电池温度低于60 ℃（13%电阻值）时，充放电控制如图9 所示。电池1 代表温度的电阻值为5%，电池2 为6%，电池3为7%，此时系统对电池1 进行充电。当其中任何一个电池温度超过60 ℃时，充电关闭。

图9 电压相同情况下的充放电控制

温度相同情况下的充放电控制如图10 所示，当温度相同（皆低于60 ℃）时，对电压值最高的电池3进行充电。

图10 温度相同情况下的充放电控制

4.2 电流检测

传感器检测到被测电流的相关信息，显示出电流大小，并将检测到的信息内容转化成电信号传输至屏幕显示模块。通过电流检测，可以更好地观察到系统是否为恒流充电，对电池有益，电流检测示意图如图11所示[8]。

图11 电流检测示意图

5 总结

综上所述，本文设计的以AT89C51 单片机为核心，由电压采集、充电控制和放电控制等所构成的太阳能蓄电池组充放电控制器是可行的。模数转换模块使蓄电池放电后可以快速充电，温度传感模块有效解决了在不同温度环境下蓄电池充电的问题，单片机技术运用于蓄电池组进行充放电控制，可以优化充放电控制程序，延长蓄电池组的使用寿命[9]。本设计满足行业的基础标准，满足当下对蓄电池充放电的经济性和环保性的要求。同时，减少了系统的故障发生率，延长了蓄电池使用寿命，并提高了系统稳定性[10]。