移动储能设备在低压配电台区中的应用与研究

第一章绪论1.1选题背景及意义随着整个中国城市化的进程的加剧，目前对于整个电网的研究越来越深入，这其中的一个主要的原因就是目前电能与人们的生活可谓是息息相关。但是，我国在早期的智能化的建设过程当中，最大的问题就是对配网的投入太少，导致配网自动化水平较低，与先进的配网存在一定差距。与国外的一些先进的发达国家相比，目前我国在智能电网的发展过程当中最大的不足仍然是智能化的程度不够。由于整个美国是第二次工业革命的起源地，所以整个美国在电力上的发展是一直领先于全世界的，尤其是美国在整个配电自动化上也是十分走在世界的前列的。我国由于有着巨大的需求，这就需要导致在整个配电自动化的程度上，去投入更多的时间和精力，使得我国真正的在配电自动化的程度上取得更多的进步，我国城市化进程的加剧这就随着功耗的快速增长，配电设备的故障率很高。供电企业的紧急维修任务繁重，经常加班。随着社会的飞速发展，电能消耗在人们的日常生活中所占的比例逐渐提高，对于电能的依赖程度逐步增加，集中体现在社会生产中的各类现代化企业对供电的电能质量和供电系统的可靠性方面的要求不断提高。配电网作为电能传输和分配的载体，承载了大部分电能的输送工作。用户对电能质量和供电可靠性的直观感受源自于配电网的系统稳定性。配电网根据服务对象的不同，采用不同的输配电方式。例如，可以将现有的配电网划分为农村配电网和城市配电网。根据电能输送工程中输电介质的差异，可以将配电网分为电缆配网和架空线路配网。根据输电线路的电压等级，可以将配电网划分为高压配电网络、中压配电网络和低压配电网络。在我国电力发展的进程中，长期存在重视发电轻视输电的现象，导致了配电网设计理念落后、配电网建设落后、配电自动化水平低、配电设备老旧等多种问题，降低了电力用户的服务质量[4,5]。新世纪以来，我国的配电网技术获得了飞速的发展，配网自动化逐渐成为现实。由于长期以来我国的配电网设计落后，再加上建设过程中存在诸多不合理的地方，随着配电网建设规模的继续扩大，电网系统的各类问题将日趋突出，在今后的社会发展中难以满足电能用户的需求，最终阻碍国民经济和社会发展。图1.1低压配电变压器Figure1.1Low-voltagedistributiontransformer配电自动化有利于配电网络的规划和优化。配电网的建设不仅体现在一级和二级配电网设备上，而且还体现在配电网的运行维护管理和配电网大数据中。目前，中国国家电网公司正在推动配电网大数据的建设。配电网大数据的关键部分是变电站区域大型数据库的建立。每个省有数十万个变电站区域，数量巨大且分布广泛。在线收集每个变电站区域的运行条件和属性信息构成了全省的大型数据库。建立大型变电站区域数据库，有利于配电网终端规划，线损计算，防窃电等一系列问题，有利于电网站区域的设备管理。目前，配送领域存在的问题主要体现在以下几个方面：低压配电台对于整个人们的生活水平来说起到十分关键的作用，但是在过去整个电网的发展的过程当中，一个最大的问题就是由于低压配电台的经济效益是比较小的，这就导致基本很少有人会关注整个低压配电台的发展，这就给低压配电台带来的一个问题就是会出现低压配电台虽然结构上是比较简单的，但是出问题也是比较多的。其中一个比较关键的问题就是单相负载的不合理分配会导致站区三相不平衡，从而影响电源安全，降低功率因数。从提高低压配电站区域供电可靠性的角度来看，低压用户间歇性和季节性用电的特点是明显的，容易造成配电变压器的短期重负荷，并带来隐患。确保配电变压器的安全运行。作为一项新技术，储能技术在延迟配电设备的扩展和升级，提供无功功率支持以及改善电能质量方面具有潜在的应用价值[11,12]。特别其是近些年出现的移动储能设备的出现，将有望大幅度的提升系统。1.2国内外研究现状1.2.1国外智能配电技术研究现状配电自动化在最近十年中发展迅速。由于不同国家的情况不同，发展的功能也不同。配电自动化在发达国家开始较早，而配电站的相关研究也相对较早。1970年代，美国首先在城市配电网络中使用了真空断路器，并在部分线路中使用了经处理的配电线路。另外纽约长岛公司在整个的发展过程当中，率先引进了无线的通讯方式，可以使得人们在使用的过程当中，远距离的得到相关的信息。另外整个欧洲由于其地广人稀，带来的一个特点就是配电距离相对是比较远的，因此配电自动化的需求是比较高的。因此，发达国家的配电网自动化程度较高。美国的配电自动化始于1970年代中期和后期，其建设程度相对成熟。其主要目的是缩短中断时间，以提高电源的可靠性[15,16]。美国的馈线自动化的程度在1990年就已经领先于世界一定的水平，在1990年整个美国就有多达750条的馈线自动化的线路，馈线自动化的线路比较多就导致系统整体可以抵御风险的能力是比较强的，馈线自动化可以完成美国基本的大城区的一个快速处理故障的能力和一个负载转移的一个过程。芝加哥Comed公司采用的配电系统由能源线系统公司提供。Interllliteam可以通过对等通信连续监视2到7个配电设备，并实现设备之间的设备电压、开关位置、故障状态和其他信息的共享。目前的整个配电台将见证可再生能源（RES）的渗透率不断提高。由于RES不可调度，因此配电网络运营商（DNO）面临系统安全和电能质量问题[17]。DNO可以增加固定储能系统（SESS）的能量，以补偿RES的间歇性并提高其盈利能力。固定储能系统具有许多其他电源应用，包括负载转移，电网波动和削峰填谷。此外，固定储能系统可以参与辅助服务市场以提供在线或离线储备[18]。此外，固定储能系统可以通过对电网进行无功供电（例如，在长径向分布馈线中）来提高电压质量[19]。实际上，储能为电网提供了各种能源和辅助服务，通常储能系统在电网当中的应用可以分为两个级别即需要在设备级别或系统级别，对于配电网系统上来说上开发不同的移动储能设备策略有着十分重要的意义[20]。如不同的移动储能策略优化了不同的经济成本函数（最大化利润，最小化能源成本或功率损耗），并受到与系统相关的操作约束（电压水平，电池能量和额定功率）的限制[21]。此外，当前电动汽车行业的发展激发了开发更智能移动储能策略技术的兴趣。像固定储能系统一样，诸如电动汽车（EV）之类的移动存储也提供各种服务[22]。例如，尽管需求响应具有降低能源成本的能力（通过将负荷转移到非高峰时段），但将电动汽车与需求响应相结合已被证明可以改善功率平衡和需求响应管理结果。使用电动汽车是微电网中可再生资源间歇性问题的有效解决方案[23]。此外，当电动汽车受到控制以调节光伏发电的间歇性时，会导致光伏发电充电站的成本大大降低。停车场中的综合电动汽车可以参与车辆到电网（V2G）和电网到车辆（G2V）计划，以通过能源套利降低能源成本和/或参与储备市场[24]。与电动汽车不同，移动储能策略是公用事业公司拥有并完全控制的公用事业规模的存储能源（例如，锂离子电池）。仓库由大型卡车调动，并在不同的站点连接到系统[25]。可运输性的优点是能够提供本地无功功率支持，降低功率损耗，调节电压，分散RES集成以及T＆D升级延迟。MESS是一种很有前途的存储技术，将有助于解决有源分配系统中的许多问题[26]。移动（可移动）能量存储系统（MESS）可以在配电系统中提供各种服务，包括负载均衡，调峰，无功支持，可再生能源集成和传输延迟[27]。与固定式储能单元不同，移动式储能系统可以通过卡车在不同的公共汽车之间移动，以在配电馈线内提供不同的本地服务[28]。这项工作为MESS提出了一种日前的能源管理系统（EMS），旨在最大程度地减少从电网进口的电力成本。MESS不仅将可再生能源电力转移到负荷高峰时段，而且还可以提供本地化的无功电力支持。鉴于日前的预测，EMS确定了馈线中的最佳MESS站和运行功率。接下来，开发了一种基于粒子群优化的算法，以根据运输延迟模型来调整MESS的移动时间[29]。1.2.2国内智能配电技术研究现状随着配电自动化（DA）的应用，中国配电网络的馈线自动化得以发展。在中国，配电自动化的研究起步较晚，而配电站的研究则起步较晚。Da项目的试点工作始于1990年代中期，比发达国家落后20年，但发展很快。尽管我国已经实现了中压变电站管理中心的“五个遥”，但是配电网的结构建设还不完善，仍然存在很多问题。自21世纪初以来，随着国家建设的增加和电网的完善，我国低压配电系统的研究和试点工作已在中国许多地方展开。近年来，具有馈线故障保护，远程自动抄表，电网自动恢复和故障记录功能的配电网综合信息管理系统已得到一定程度的发展。自1998年以来，国家开始对城乡电网进行改造，配电站已在众多项目中实施。截至2003年底，中国已有100多个地级市建立了DA系统。近年来，随着我国社会经济的快速发展，以及用户对供电质量要求的不断提高，DA引起了人们的关注，智能电网的兴起极大地推动了配电站的发展。由于中国的总电力需求量居世界首位，因此对配电站的研究需求量居世界首位。正是在这样的前景下，中国整体低压配电站的研究正在逐步走向世界一流水平。目前，我国配电站和移动储能设备的研究文献如下：在参考文献[30]中，分析了智能低压配电台去由三部分组成：智能故障定位保护系统，智能站区系统和智能用户管理系统。在所提出的三部分低压配电台的使用过程当中，其主要的需要是对于故障点的一个位置上的判断，位置上合理判断，完成对于故障信息的一个定位和分析的功能。智能台区中间设有处理的一个机构，处理完成的信息可以最终将整体的一个信息，通过GPRS模块传递到用户手中，最终可以完成对于信息的一个掌握的工作。在参考文献[32]中，设计了低压站区域线损的精细管理系统，并从硬件和软件环境的需求来解释线损管理系统的体系结构设计。并指出了大连市实施完善线损管理系统前后效果的比较分析。文献[33]设计了基于配电变电站区域的农村配电变电运行管理系统。农村配电变电运行管理系统通过信息化完成了数据的自动计算，形成了各电站区的实用报告，大大提高了配电变电站区的运维管理水平。在参考文献[34]中，分析了农村配电站区域的智能监控系统。该系统由监控终端，监控主站以及通讯和安全模块组成。文献分析强调必须加强智能控制与保护开关与监控终端之间的协作，可以提高农村配电站区的自动化水平。在参考文献[35]中，设计了一种基于TMS320F206的测控装置，该装置具有操作参数监视，谐波分析监视，无功补偿，历史数据统计，停电记录和显示的功能。文献[36]从运维和配电变压器区域负荷监测的角度分析了配电变压器的负荷，结合电力运维的特点，设计了有效的站区改造方案，提高了自动化程度。运维管理。在参考文献[39]中，提出了基于统一采集和集中监控平台的智能无线电分布区的建设，强调智能无线电分布区应包括遥测，远程信令，远程控制，远程调整和远程查看功能。智能站区应实现配电变压器的参数监控，保护，测量，通讯，动态无功补偿控制，谐波抑制和三相不平衡控制等功能。在参考文献[40]中，针对中低压配电网监控系统存在的问题，提出了一种统一的中低压配电网数据采集与监控系统，以期提高运维管理水平。分销网络级别。它包括智能配电站区域的管理和监视功能。智能配电站区管理监控模块主要实现站区信息和电能质量监测，异常报警以及站区经济运行管理等功能。在参考文献[41]中，建议当前配电站区域存在一些问题，针对于文献当中提出的当前的配电站存在的一些智能化程度较低，无法准确的去识别系统当中的故障信息，无法完成真正的自动化这就会很大程度的去增加整个台区的危险性，会给整个台区带来一定的经济隐患。。文献[43]分析认为，由于老化或接触电阻过大，箱式变压器，环形网络柜和电缆分支箱中的电缆头接头会严重发热，严重时会引发火灾。因此，设计了一种无源无线电缆头温度测量系统。该测温系统包括温度传感器和温度采集单元，实现了电缆头的高温报警功能。另外，近年来，为了改善传统配电网中存在的问题，越来越关注整个储能设备的研究。一些具体的性能结果如下：使用储能设备降低配电网的电压和频率偏移，与传统的非协调控制方案相比，该方法可以减少电压和频率偏差并改善电能质量。在参考文献[44]中，通过控制储能系统的充电和放电，可再生能源的随机特性对电能质量的不利影响得以减少。在参考文献[45]中，电网投资优化是解决投资需求与电网投资能力不匹配的有效方法。中国正在进行新一轮的电力体制改革，其主要内容是通过输配电价政策控制电网企业的收入。因此整个社会当中对于整体的一个配电自动化的提升去进一步提升时需要对整个系统进行实时的一个检测的动作。在参考文献[47]中，对于具有高渗透性的可再生能源的配电网，提出了一种遗传算法来搜索外层的广义能量存储配置方案，并建立了一个两层优化模型的广义能量存储最优运行策略。根据动态规则算法在内层获得。这种方法可以增加配电网系统的监管资源，大大减少固定储能成本。1.3本文主要工作本文所做的主要的工作就是先对于目前的低压配电台做了相关的综述，简介了低压配电台的未来的发展趋势和移动储能设备的未来的发展趋势。简介了两种技术，另外，阐述了低压配电台的本身存在的一些问题，利用移动储能技术是如何去该神这些问题，介绍了如何采用移动储能设备去实现去解决低压配电台当中存在的问题，最后，介绍了相关的移动储能设备在低压配电台当中的应用，介绍了其具体的优势。1.4技术路线和实验方案通过低压配电台区储能应用需求，主要包括改善电能质量、提升供电可靠性、参与配网调峰[50]等三个方面：本文的一个最终的目的就是为了去进一步提升整个低压配电台系统的输出电压质量得到提升，针对于低压配电台存在的问题最终采用了移动储能技术主要采用理论结合实际的方式，去对移动储能技术进行应用去优化低压配电台。论文采用的研究方法主要有：1、文献法。了解移动储能技术国内外的应用现状，和低压配电台的相关的技术要求。2、实地调研法。现场调查低压配电台的实际情况，询问当地相关机构峰峰矿的地质灾害情况。3、经验总结法。笔者相关的自身积累的技术经验结合相关理论研究对研究对象进行分析，并从大量的研究信息中总结规律，形成假设。并通过研究成果对假设进行验证和提升，并且对相关的实际应用进行了相关的介绍。1.5课题主要难点及拟采取解决方案我国目前正在全力推进智能电网建设，为满足用电需求，提高供电质量，努力解决配电网薄弱的问题。在改善低压配电站区域的电源的电能质量方面，有功功率和无功功率的分配会对节点电压产生重大影响。在严重的情况下，会导致电压超过极限，增加线损，单相负载的不合理分配会导致站区三相不平衡，从而影响电源安全，降低功率因数。从提高低压配电站区域供电可靠性的角度来看，低压用户间歇性和季节性用电的特点是明显的，容易造成配电变压器的短期重负荷，并带来隐患。配电变压器的安全运行对于整个系统来说是十分关键的。本文拟采用储能技术这一新型技术去解决低压配电台中存在的一些问题。1.6预期研究成果因此，本文的主要的一个工作就是对于整个低压配电台来说，介绍了其移动储能技术的总体构成和移动储能设备的一个铅酸蓄电池的工作原理进行简要介绍，介绍了SOC的估算方法，另外为了去提升低压配电台的可靠性。本文最后介绍了在移动储能设备当中的一个智能硬件和软件的一个介绍，最终预期采用移动储能设备来对低压配电台进行进一步的优化，大幅度提升低压配电台的水平。

第二章系统总体构成与需求分析由于低压配电台的用电质量和电能的可靠性对于居民的生活是十分重要，因此对于低压配电台来说，需要一个十分合理稳定的储能系统；本章所做的工作就是分析对于移动储能设备进行相关介绍，简介需要设计的移动储能设备的整体需求。根据相关需求发现，铅酸蓄电池可以满足移动储能设备的技术指标要求，因此介绍了铅酸蓄电池的充放电特，为后文设计控制器提供基础。2.1移动储能设备的简介移动（便携式）储能系统可以在配电系统中提供各种服务，包括负载均衡、可调节峰值、无功补偿，可再生能源集成以及传输延迟。与固定式储能单元不同，移动式储能系统可以通过卡车在不同的公共汽车之间移动，以在配电馈线内提供不同的本地服务。真是由于其在使用过程中可以采用卡车去移动，这一优势极大地提升了整体的整个移动储能设备的具体应用。目前移动储能设备最新的技术是去提出了一项提前能源管理系统（EMS），旨在最小化从电网输入的电力成本。MESS不仅将可再生能源电力转移到负荷高峰时段，而且还可以提供本地化的无功电力支持。由于其在整个电网输入带来的一系列的优势，目前整个配电网的过程中是对该技术是比较青睐的。移动储能设备的出现是一个比较新的概念，最近在国家电网的领导之下，配电网中开始使用一些移动储能设备去为了大大提高了系统的稳定性，目前在配电网中其主要的应用如下：图2.1移动储能的应用Figure2.1Applicationofmobileenergystorage整个的移动储能设备的应用背景还是针对于重要负荷的的情况下去使用的，目前在国家电网的引领之下，移动储能设备的主要的应用场所是应用在高考保电、APEC会议、青奥会保电和达沃斯论坛中去保持电力的稳定输出的。国家电网在整个移动储能技术层面做的还是比较好的，但是具体针对移动储能设备在低压配电台的应用还是比较少的。在这样的背景之下，另外对于低压配电台来说，是整个国家来说比较重视的一个层面，因为低压配电台的应用，尤其是智能的低压配电台来说，其应用的场景相对来说是比较重要的，因此如何采用移动储能设备区进一步提升整个智能低压配电台区是十分关键且重要的。为了进一步的去了解整个低压配电台与移动储能相结合，首先需要知道目前整个移动储能设备的一些具体的分类，为后续研究提高了很大的便利。2.2低压配电台区储能应用需求分析随着城乡电气化水平的不断提高，电网负荷增加，负荷的日高峰和低谷之差逐渐增大，低压变电站地区出现了配电变压器。三相不平衡和低功率因数等因素直接影响用户的服务水平。考虑到低压配电站的电能质量控制，传统方法是安装无功补偿装置，调压器或平衡装置，只能解决一个电能质量问题。据统计，2014年至2016年，广东电网新增低压站83.9％，但如果长期实施，将降低电力资产的利用率，发电量将减少。低压配电区的储能应用要求主要包括三个方面。提高电源质量，提高电源可靠性并参与配电网络的峰值负载平衡。为了提高电能质量，储能系统逆变器具有四象限运行功能，可以实现有功功率和无功功率的分别控制，并根据负载的变化来改变储能系统的输出。可以快速调整以达到最大输出。与传统方法相比，结合电力电子技术的储能单元可以满足电压超限控制，三相不平衡处理和功率因数调节的应用要求。减少分布式新能源发电的电价波动，并且减小分布式新能源接入对现场区域的电能质量的影响。从提高电源的可靠性的角度来看，储能系统可以起到调峰降谷的作用，在高峰时段降低配电变压器的负载系数，并存在配电变压器安全运行的风险。储能系统可以用作备用电源，缩短站点周围的停电时间，提高站点周围电源的可靠性和服务能力。此外，从配电网络中的局部峰值负载平衡的角度来看，站点区域多点分布式储能设备可以缓解峰值或峰值负载期间的负载平衡拥塞问题，并延迟电网扩展和升级改进。由此可见储能设备对于整个配电网的是十分重要的，在这样的基础上去选择合理的蓄电池进行储能是十分关键的。铅酸蓄电池技术相对成熟，并且成本不高十分适用于移动储能设备当中。因此，本文选用铅酸蓄电池作为主要的储能装置。2.3铅酸蓄电池的工作原理如果需要选择正确的电池和充电算法，则首先需要了解铅酸电池。当前，主要的储能电池是铅酸电池。储能电池作为储能设备的重要电源，在整个储能电源系统中起着非常重要的作用。随着铅酸电池技术的飞速发展，阀控密封铅酸电池正在逐步取代敞开式铅酸电池。与传统铅酸电池相比，在使用、维护和管理方面有明显的优势。铅酸蓄电池，它的正极活性物质是二氧化铅（PbO2），负极活性物质是海绵状金属铅（Pb），电解液是稀硫酸（H2SO4），其电极反应方程式如下：正极：PbSO4+2H2O-2e-=PbO2+4H+SO42-（2.1）复极：PbSO4+2e-==PbO2+SO42-（2.2）整个盐酸蓄电池的化学反应方程式如下：2PbSO4+2H2O=Pb+PbO2+2H2SO4（2.3）密封铅酸电池的设计原理是将所需量的电解质注入板和隔板中。另一方面，通过负极板的自由电解质的湿电解质性能提高了氧吸收能力。电池必须密封以防止电解质流失。VRLA电池的结构和材料有了很大的改进，其工作原理如图2.1所示。正极板使用铅钙合金和铅镉合金，负极板使用铅钙合金，隔板使用超细玻璃纤维，整个化学过程采用紧密组装和稀溶液设计技术。图2.2阀控密封铅酸蓄电池原理图Figure2.2SchematicdiagramofVRLAbattery反应在密封的塑料外壳中进行，并在废气中添加了单向安全阀。在该电池结构中，当以预定的充电电压对电池进行充电时，从正极分离出的氧气可以通过分离通道移动至负极板的表面并还原为水。由于VRLA电池负极板的容量大于正极板的容量，因此当氧气分离时电势会升高。由于反射面积和反应速率的差异，在正极板上产生氧气，而在负极板上产生氢气。2.3.1蓄电池充电特性当环境温度为25°C时，会显示密封铅酸电池制造商提供的技术指标，以确保使用寿命。显然，密封铅酸电池在日常生活中可以长时间放置在25°C的环境中。因此，VRLA电池无法为各种VRLA电池充电器充电，例如晶闸管整流器，变压器降压整流器和通用开关电源。严格的充电技术需要恒定的电压或恒定的电流。确保VRLA电池充电器的技术完美是不难的。回顾过去的VRLA电池充电方法以及基于这些方法开发的VRLA电池充电器给密封的铅酸电池充电会直接影响其寿命。同时，这些充电器具有狭窄的工作电压范围，大尺寸，低效率和低安全系数。（1）铅酸蓄电池的放电特性在密封铅酸蓄电池的情况下，放电结束取决于端子电压。但是，VRLA电池的端电压与正极和负极的三个极化密切相关，端电压的设置取决于放电率。由于极化的存在，随着放电速率和电流减小，放电端子处的电压变得越来越高。否则，VRLA电池可能会过放电。（2）充电电压对电池的影响充电期间电池正极与负极之间的电压差称为充电电压。充电过程是强制性的。为了实现此过程，充电电压必须高于电池开路电压和电动势。充电电压不应太高或太低。如果过高，则会影响电池模块的性能，导致水电解，电解质损失和内部压力升高。如果电池电量太低，则需要花费一些时间才能充电，将无法为电池充电。（3）停充控制VRLA电池充满电后，充电电流将及时切断。否则，VRLA电池会产生大量的气体，水分流失和高温过充电反应，直接威胁VRLA电池的使用寿命。因此，应该随时监视VRLA电池的充电状态，以确保电池充满电。1.主要停充控制如下：VRLA电池的时序控制当将恒流充电方法用于定时控制时，可以通过容量控制和充电电流容易地确定阀密封铅酸电池的充电时间。因此，如果预先设置了充电时间，则可以在该时间到期时发送停止充电的信号或将其设置为浮动充电。定时器可以与时间继电器或MCU一起使用。该方法相对简单，但是它不会根据VRLA电池的预充电状态自动调整充电时间，这实际上会导致充电不足或过度充电。2，VRLA电池的温度控制正常充电期间，VRLA电池温度不会发生明显变化。但是，当VRLA电池过度充电时，内部的气压将迅速增加。由于负极板的氧化反应，内部的热量和温度迅速升高。因此，通过观察VRLA电池的温度变化，可以确定VRLA电池是否充满电。通常，使用两个热敏电阻分别监视VRLA电池的温度和环境温度。当两者之间存在差异时，将输出停止充电的信号。由于热敏电阻的动态响应慢，因此无法及时准确检测到VRLA电池的充满电状态。2.3.2充电模式及特性充电器质量和充电性能在电池寿命和性能中起着重要作用。电池是否损坏并缩短其寿命，或者用户是否在经济上和实践上受益，这是密切相关的。因此，有必要提高充电器的性能并注意充电方法。电池充电的理论基础在1960年代中期，美国科学家火星做了很多关于铅酸充电过程中气体泄漏的实验工作，并提出了可接受的充电电流曲线，假设铅酸气体的量最少。进化速率如图2.3所示曲线。实验表明，根据该曲线改变充电电流可以显着减少充电时间，而不会影响电池的容量和寿命。图2.3铅酸蓄电池充电特性Figure2.3Chargingcharacteristicsoflead-acidbatteries图中，在充电过程中，只要充电电流不超过铅酸蓄电池的允许电流，内部气泡就不会太多。通常，常规充电采用恒定电流→恒定电压的两步充电方法。在充电过程的第一阶段，充电电流远低于铅酸电池的允许充电电流，并且充电时间明显更长。在充电的后半段，充电电流变得高于铅酸电池的允许电流，因此，在充电完成之后，在铅酸电池中会产生许多气泡。由于实际的充电电流总是与铅酸蓄电池的允许充电电流相同或接近，因此充电率大大提高，气体泄漏率可以控制在很低的范围内。这是基本理论快速充电的基础。现有的充电方式电池回收过程可使用各种充电方法为电池充电。选择最佳的充电方式时，请考虑使用频率，放电率，电池使用量等。因此，下面概述了充电方式。1.恒流充电（1）恒流充电恒定电流充电方法是可以通过调节充电装置的输出电压或改变与电池的串联电阻来保持恒定的充电电流强度的充电方法。控制方法简单，但是随着充电过程电池的允许电流容量逐渐减小。在充电的后半段，充电电流主要用于电解水，产生气体和过量气体。充电器的交流电源电压通常会波动。需要直流恒流电源或恒流充电器进行充电。使用恒流充电将提高电池的充电效率。根据充电时间，您可以决定是停止充电还是更换电池数量。图2.4恒流充电法Figure2.4Constantcurrentchargingmethod2、恒压充电充电电压在整个充电过程中保持恒定，并且电流随着电池端子电压的增加而减小。与恒流充电方法相比，充电过程更接近最佳充电曲线。因此，几乎没有电解水不会阻止电池过度充电。但是，在充电的初期，电流过大，极大地影响了电池寿命，使电池板更加灵活，消耗电池电量。因此，仅当充电电源电压低且电流大时才进行恒压充电。该图显示了恒压充电电路。当电池以恒定电压充电时，电池两端的电压决定了充电电流。在这种充电模式下，充电开始时的电流较大，而充电结束时的电流较小。充电电流随电压波动而变化，因此应将最大充电电流设置为最大充电电压，以免电池过度充电。图2.5恒压充电法Figure2.5Constantvoltagechargingmethod同样，这种充电方法会在充电结束时使充电电压达到峰值，然后降低。电池充电电流将增加，电池温度将上升。我们不建议使用恒压充电。这会导致电池温度升高而电压下降，从而导致热失控和电池性能下降。3、快速充电技术传统的电池充电方式采用小电流恒压充电，充电时间长达10-20小时，实际上非常方便。同时，为了使电池的化学反应速率最大化并缩短电池充满电所需的时间，请确保正负极板的极化现象的大小很小。提高使用效率在近年来快速充电方法和技术的快速研究与开发已经发展。4.典型的快速充电方法：（1）脉冲充电方式脉冲充电在各种铅酸电池应用中获得了新的生命。首先，用脉冲电流为电池充电，然后关闭电池一段时间。因此，充电脉冲使电池充满电，并且在间歇时间段内，由电池的化学反应产生的氧气和氢气会在一段时间，浓度的自吸收和欧姆极化后被吸收。从而降低了电池的内部压力，提高了充电过程的效率，允许以更高的终端充电电流对其进行充电，并允许电池吸收更多的电量。间歇脉冲使电池具有足够的反应时间，减少气体泄漏并增加电池充电电流额定值。（2）反射充电方式实际上，反射快速充电方法是脉冲充电方法的改进版本。操作周期包括正向充电脉冲，反向闪光放电脉冲，怠速停止和维护阶段。该方法消除了电池的极化现象，并在不影响电池寿命的情况下加快了充电速度。2.4SOC估算方法2.4.1常见SOC估算方法准确计算铅酸电池的SOC仍然非常困难。有很多因素会影响铅酸电池的SOC计算，例如工作环境，电池损耗，充电和放电电流。当今最常用的估算方法是：（1）开路电压法开路电压法基于铅蓄电池的电动势与SOC之间的关系。如果铅酸电池长时间静止不动，其开路电压将等于其电动势。此时，SOC和开路电压具有线性关系，可以从查找表中进行估算。这种方法的缺点是您必须等待电池稳定，并且无法动态估算SOC。（2）密度法密度法的原理是铅酸蓄电池的电解液浓度与其SOC具有对应关系。SOC可以通过检查电解质浓度来估计。该方法的原理很简单，但是检查电解质浓度以进行估算是不切实际的。（3）内阻法铅酸蓄电池的内阻与SOC之间存在一定的关系。通常，将交流信号注入铅酸电池中，并通过测量其响应来计算铅酸电池的内部电阻。有许多因素会影响铅酸电池的内阻，例如环境温度，充电和放电电压以及电流。（4）安培小时积分法安培小时点是当今使用最广泛的SOC估算方法。估计方法如公式（2.4）所示。SOC0是第一个电池的SOC，C是电池的实际容量，η是受温度和充电/放电电流影响的电流校正因子，充电时间为正，放电时间为负。此方法需要更准确的初始荷电状态soc0和电流测量数据，以确保估算的准确性。（2.4）2.4.2设计采用的SOC估算方法通过比较和分析上述一些常用的SOC估计方法，设计了开路电压方法和安培小时积分方法来估计SOC。系统监视铅酸电池的充电/放电电压、电流、温度、环境温度和其他信息，确定铅酸电池的状态，并根据开路确定电池SOC0的初始剩余容量，并在电池充满电和放电后校正数据。2.5本章小结本章的主要工作是对于移动储能设备的特性进行了进一步的介绍，分析了移动储能设备的技术和应用的相关需求。根据相关需求分析出了移动储能设备采用铅酸蓄电池是十分合理的。在这样的需求之下，介绍了铅酸蓄电池的充放电特性和SOC监测的方法和注意事项。

第三章移动储能智能充放电控制器硬件设计为了提高整体移动储能设备的充放电质量，合理提高铅酸蓄电池的利用率。本文拟在单片机的基础上去设计相关的控制系统。本章的主要工作是对于移动储能模块进行模块化的分析和设计。3.1储能模块设计整体架构根据前文的相关分析，要想去提升移动储能设备的充放电质量，必须去设计出合理的监测装置和控制模块，移动储能设备的总体框图如图3.1所示。图3.1移动储能设备整体框图Figure3.1Overallblockdiagramofmobileenergystorageequipment通过对铅酸蓄电池的充放电特性和影响铅酸蓄电池寿命的主要因素的分析，系统整体设计架构如图2.10所示，系统主要分为以下几个模块：（1）铅酸电池组移动储能设备的容量要求太高，无法在实际实验室中进行模拟。本文提出铅酸电池组由四个串联的12V/20A铅酸电池组成。图2.9显示了充电电压和温度之间的关系。浮动充电电压为13.7v〜13.9v，系统设计最大充电/放电电流为10A。（2）电压，电流和温度检测模块为了防止铅酸电池的过度充电，过度放电和过热，该模块需要检测环境温度，串联连接的铅酸电池的充电/放电电流，端电压和每个单电池的温度。需要更准确的测试结果才能有效地控制充电和放电。该系统的设计目标是：±0.5°C温度检测精度，±100mV串联电池电压检测精度，±50mV单电池电压检测精度以及小于2％的电流检测误差。（3）放电控制模块该模块提供铅酸电池的放电控制，包括：防止过放电，根据放电截止电压控制放电，以及防止单电池过放电；在自动电池放电维护操作期间，请仅对电池充电，请勿长时间放电，并进行定期放电维护。（4）充电控制模块充电器是65V/10A恒压直流电源。充电控制模块需要控制充电电压。充电电压和温度补偿，以及为防止电池组因环境温度升高而过度充电，必须根据环境温度补偿充电电压。该控件可平衡铅酸电池组的充电，并防止单个电池过度充电。（5）通讯模块通信模块实现了单充放电监控模块与主控板之间的双向通信功能。可以从主控制面板接收控制信息，并将监视数据发送到主控制面板。（6）主控制面板主控制板负责充电/放电监控模块和计算机之间的通信。主控制面板收集由多个充电/放电监视模块监视的数据，将其发送到计算机，然后将计算机控制命令发送到单个监视模块，以进行总体充电/放电监视并提供出色的控制系统电池智能充放电控制器设计为封装铅酸电池以进行阀门控制。该系统由STM32及其应用软件组成。根据以上理论分析，铅酸电池的智能充电方法不仅可以减少极化，还可以防止氯化，延长使用寿命，提高充电率，达到设计目标。3.2系统结构智能充放电控制系统主要由输入电路、检测电路、控制电路和显示电路组成。该图显示了每个部分的设计结构，内容和数据流。整流滤波器电路的输出电压由开关电源控制器调节，以为电池提供所需的电压。辅助电源为单片机，模拟开关，放大器等提供工作电压。输入充电/放电信号。MCU完成对各种充电和放电过程的控制，包括电池充电电压、充电电流，电池端子电压采样以及电池充电和放电控制。LCD组件的主要功能是在充电过程中显示电池的充电和放电状态，充电电流，充电电压和电池电压，以便用户了解电池的充电和放电状态参数。3.3主电路设计3.3.1直流电源模块设计直流电源是电子设备中最基本，最常用的设备之一。作为能源，可以保证电子设备的正常运行。VRLA电池放电后，只能用电流对其充电，以恢复其工作能力。用于充电电路的直流稳压电源包括电源变压器，桥式整流器电路，滤波电路和稳压器电路。直流输出功率机制：220VAC电流由变压器的降压和桥式整流器电路整流，并且将由滤波器调节器获得的15VDC电压提供给Buck转换器。1.整流桥电路的工作原理（1）整流电路的功能该电路使用四个电桥连接的二极管。通过使用二极管的单向电导率，正负交流正弦波交流电压被整流为单向脉冲电压。（2）主要参数计算A、直流电压U0（3.1）B、直流电流I0（3.2）C、波动系数（3.3）（3）选管原则根据二极管的电流ID和二极管所承受的最大反向峰值电压URM进行选择：（3.4）（3.5）2．电容滤波工作原理（1）电容器滤波电路的功能电容器的能量存储特性用于将能量存储在整流器的输出电压中，并将其缓慢释放给负载。尽可能除去单向脉动电压的脉动分量，以使输出电压变为相对平滑的直流电压。（2）主要参数设计A、耐压电流（3.6）B、放电时间常数范围（3.7）C、输入输出关系（3.8）D、波动系数（3.9）3、电容滤波电路的特点（1）电容器滤波电路适用于低电流负载。（2）电容器滤波电路的外部特性较弱。（3）当使用功耗滤波器时，大的脉冲电流流过整流二极管。必须选择一个大容量的整流二极管。（4）通过电容器滤波器后，输出直流电压增加，输出电压的纹波分量也减少。另外，输出DC与放电时间常数有关，，。4、选电容原则电容放电的时间常数愈大，放电过程愈慢，则输出愈高，时脉动成分也愈少，即滤波效果愈好。5、稳压电路工作原理（1）直流稳压电路的功能随着电网电压或负载电流的变化，输出直流电压会稳定下来。在该设计中，稳压器电路由三个集成稳压器和电容器组成（2）介绍三端集成稳压器随着半导体技术的发展，稳压电路也已经集成。集成稳压器具有体积小，外部电路简单，使用方便，操作可靠，通用性强等优点，非常适合于基本由分立元件组成的稳压器电路。代替。广泛用于各种电子设备。稳压器的输出电压也会相应下降。该系列的3端子集成稳压器是固定的，在使用过程中无法调节。系列固定输出正电压，固定输出负电压，电压值一般为5V，6V，9V，12V，15V，18V，24V。图3.2直流稳压电路原理图Figure3.2DCvoltageregulatorcircuitschematic图3.2是由三端稳压器w7815组成的单电源电压输出串联稳定电源的实验电路图。滤波电容器C1和C2通常选择数十万种微方法。如果调节器远离整流器和滤波电路，则应在输入端连接电容器C3，以抵消电路的电感效应并防止自激。输出电容器C4（0.1uF）用于过滤高频信号并改善电路的瞬态响应。3.2.2主充电开关电源电路设计1，BUCK斩波电路DC/DC转换器广泛用于便携式设备（笔记本计算机，移动电话，PDA等）中。有两种类型：线性转换器和开关转换器。开关转换器因其高效率以及灵活的正负极性而受到人们的青睐。DC/DC转换将固定的DC电压转换为可变的DC电压。这也称为直流斩波器。斩波器有两种操作模式。一种是恒定PWM模式TS，另一种是频率调制。（1）降压电路-降压斩波器，平均输出电压uo低于输入ui且极性相同。（2）升压电路-升压升压器，平均输出电压uo大于输入电压ui，极性相同。（3）降压-升压电路-降压或升压斩波器，平均输出电压uo大于或小于输入电压ui，反极性和电感传输。（4）Cuk电路降压或升压斩波器，平均输出电压uo大于或小于输入电压ui。极性反转，电容传输。该电路使用PWM模式下的降压转换器（也称为降压转换器），串联开关电源和三端开关稳压器，因为输入始终大于输出。电路如图3.3所示。图3.3BUCK变换器电路Figure3.3BUCKconvertercircuitPWM脉宽调制信号由单片机控制，该单片机控制开关管的开/关。MOSFET，二极管，电感器和电容器形成降压电路。在操作过程中，PWM控制信号的高电平脉冲使MOSFET导通，而PWM控制信号的低电平脉冲使MOSFET截止。连接开关后，电流沿图（a）所示的方向流动，并且电容器通过电感器充电。如图（b）所示，当开关断开时，电感器试图保持电流恒定，从而驱动二极管，电感器和电容器。这是降压转换器的占空比。随着占空比的增加，导通时间增加，保压时间减少，输出电压增加。相反，输出电压将下降。图3.3中二极管的目的是防止电源关闭时电池向相反方向供电。输出电流由PWM占空比调节，以控制特技电流充电，大电流充电，过充电和浮充电以完成4态充电过程。图3.4充放电电路原理图Figure3.4Schematicdiagramofchargeanddischargecircuit在当前广泛使用的开关电源模式下，PWM控制器提供脉冲宽度调制并发送脉冲信号以导通MOSFET。同时，扼流圈用作储能电感器，并与电容器连接以形成LC滤波电路。PWM芯片包含内部和外部电路。如果脉冲宽度调制需要周期，则打开这些电路以确定该频率下的速度。如果信号需要发送每个MOSFET来导通这些MOSFET，则信号可以自己控制速度。在这种设计中，PWM驱动器被集成到微控制器内核中，从而使系统能够提供更准确的数字电压。3.4主控芯片STM32介绍STM32系列是ST制造商发布的单片机，是工业领域非常流行的主控制芯片。该芯片的处理能力非常好，其内部浮点和逻辑运算的整体水平远远超过了51系列微控制器。STM32MCU在索引设计领域对功能的要求越来越高，逐渐取代51个单片机成为索引设计领域中非常重要的选择。其出色的性能主要体现在以下几点：（1）内核：ARM32位Cortex-M3CPU。工作频率为72MHz，这是芯片完成高速计算的重要标准。（2）内存：32-512KB闪存集成在片上。大量的内存可以达到创建和存储复杂程序的目的。（3）时钟，复位和电源管理：2.0-3.6V电源和I/O接口驱动电压。由于驱动电压范围相对较宽，因此适应外部电路的能力相对较强。此外，虽然整个STM32微控制器相对昂贵，但其低功耗却是无可争议的。（4）调试模式：串行调试（SWD）和JTAG接口。多串口采用全双工操作方式，非常方便调试和外部连接。封装图如图3.2所示。图3.5STM32F103RCT6封装图Figure3.5STM32F103RCT6package3.5模数转换模块移动储能设备充电系统中利用模数转换模块将电池的电量送入单片机与设定的满电量阈值进行判断，当电量没充满时，充电器继续给电池充电，显示屏显示charging；当电池电量充满时，显示器显示full，充电器停止充电。模数转换模块选择ADC0832。该模块性能极佳，十分适合于常用的毕业设计当中，功耗比较低，传递信息准确，因此本文非常适合与智能锂电池的充电器当中。其引脚图如图2.4所示。图3.6ADC0832引脚接口电路图Figure3.6ADC0832pininterfacecircuitdiagram3.6DS18B20温度传感器温度传感器的类型众多，根据不同领域选择不同的传感器，而且在各个领域都有相应的代表。温度传感器是毕业设计当中经常需要去检测的物理量，因此对于整个温度传感器模块的选择来说对于整个毕业设计的合理完成是十分重要的。根据毕业设计的相关要求，本文需要同时对温度和度进行检测，因此传感器模块DS18B20是整个毕业设计的不二之选。该模块是一款市面上主流的且性价比最高的一款复合型温度检测模块，该模块对于环境的适应能力比较强，对于恶劣环境来说，整个温度传感器的表现也相对比较优异，该传感器的精度比较高。另外，该模块的体积比较小，这一优点使得其应用范围相对来说比较广，因为该模块可以任意的加在控制板上且对于整个系统不会产生影响。另外该芯片功耗比较低，十分节能环保。3.6.1DS18B20的引脚功能传感器DS18B20的芯片引脚如图2.5所示。图3.6DS18B20引脚图Figure3.6DS18B20pinmap3.6.2DS18B20的基本工作原理DS18B20传感器中的低温度系数晶振抗干扰能力很强，它的振荡频率不会因为外接温差的变化而快速改变，由于温度的影响几乎可以忽略不计，因此一个固定频率的脉冲信号由一个低温系数晶体作为给定的计数器1发出。仿真电路中温度采集模块如图3.7所示。图3.7温度采集模块电路图Figure3.7Circuitdiagramoftemperatureacquisitionmodule3.7电压检测模块的设计电压是反映铅酸电池运行状态的最重要参数之一。设计必须根据开路电压估算铅酸蓄电池的SOC，并确定是否需要根据充电/放电端电压确定过充电，过放电，平衡等。电压检测应隔离以确保系统安全。图3.8分压控制电路设计Figure3.8Designofvoltagedividercontrolcircuit图3.8显示了将分压电路和分压检测电路结合在一起的分压控制电路的总体设计。其中，TLP17d光耦合器继电器提供对分压器网络连接的隔离控制。V1，V2，V3和V4分别串联连接到四个铅酸电池的正极。CT1，CT2，CT3和cT4连接到主控制芯片STM32的四个I端口。VI是部分电压输出。根据STM32数据表，在通过电压隔离电路将VI从VI转换为STM后，将VI连接至STM32IO端口。最大AD转换电压为3.3V，因此并联输出VI小于3.3V。分压控制电路的操作过程如下。STM32通过CT1-CT4控制光耦继电器TLP17d的开/关，并每次选择V1-V4中的一个进入电压隔离网络以进行电压隔离检测。Hcr201是当前类型的芯片。为了线性且稳定地工作，必须适当设置工作电压和工作电流。根据HCNR201数据表，光电二极管PD1和PD2之间的推荐反向电压为0-15v，该设计由隔离的12V电源供电。OPA2180支持±2v-18v电源。根据设计，opa2180电压隔离的电感输入级使用隔离的12V辅助电源，而opa2180输出级使用5V的电源。（1）输入级电路参数设计图3.9显示了电压分离检测电路的简化等效电路。Vin是由运算放大器A1配置的电压跟随器的输出电压，并且等于分压控制电路的输出电压VI。图3.9电压隔离检测简化等效图Figure3.9Simplifiedequivalentdiagramofvoltageisolationdetection图3.10输入级等效电路图Figure3.10Equivalentcircuitdiagramofinputstage如图3.10所示，电压输入级运算放大器在共模输入状态下工作。如图3.20所示，根据运算放大器的工作特性和比例关系，可以获得根据IF和IPD1的输入级的等效电路。反馈电阻。如果电路稳定且工作正常，则可以运放“虚短”和“虚断”的工作特性可知：（3.10）反馈电阻可得：（3.11）即：（3.12）又由于流经RH1的电流IPD1是LED电流IF为的K1倍，故有：（3.13）即：（3.14）（3.15）（3.16）从公式（3.12）可以看出，对于Vo<Vin和RF<0，此时尚未建立等效的原理图。根据公式（3.15）和电路反馈原理，如果电阻RH1过大，则IPD1在RH1处产生的反馈电压会很高。同相输入电压会使OPA2180的输出电压变得不稳定，从而使HCNR201LED反复点亮和熄灭，从而导致电路输出不稳定。RF等效值必须大于零才能稳定电路输出。根据公式（3.15）和（3.16），此时Vo>Vin，并且RH1的值必须满足以下条件：（3.17）在这种情况下，实际K1小于或等于k1max，因此极限情况电路设计的K1值为k1max，实际K1值为k1min。根据公式（3.11），VO=2vin。HCNR201数据手册建议平均工作电流为1至20mA，最大峰值电流为40mA，最大平均工作电流为25mA。表3.4列出了分压后的最大输出电压。当最大电压为3.3V时，VO的最大输出为6.6vLED。最小导通电压为20V和1.2V时，限流电阻rr1=（6.6-1.2）/0.02=270Ω，设计值为300Ω，通过公式（3.17）计算的RH1为46666Ω，设计值为47KΩ。（2）输出级参数设定输出电压va1引入运算放大器的反相输入端，如图3.19简化的电压分离检测等效图所示。输出级的运算放大器构成一个电压跟随器。计算输出电压的公式如下：（3.18）由式（3.10），可得（3.19）由式(3.18)和式(3.19)可得：（3.20）如果K3的标准值为1.0且RH1=RH2，则在理想条件下，将电压乘以分压器网络的相应乘数即可获得电压，而电池端子电压将通过减去下一级的电压而获得。去做。Rh1和Rh2使用47KΩ的精密电阻可减少误差并提高精度。假设K3不完全为1.0，RH1和RH2会有一些电阻和误差。打开tlp179d时存在电阻，因此需要通过软件校正计算结果。3.8电流检测模块的设计充电/放电电流对铅酸电池有重要影响。在充电过程中，可以通过组合充电电压和电流来确定铅酸电池组的充电阶段，可以根据电压和电流设置铅酸电池组的充放电参数，以防止损坏。铅酸电池组。避免过度充电。另外，在放电期间针对不同放电电流的容许放电截止电压是不同的，并且组合的放电电压可以防止铅酸蓄电池组的过充电。对于SOC的动态估计，安培小时积分方法需要更准确的当前数据。用于电流检测的Acs712霍尔传感器，acs712是Allegro。该公司基于霍尔效应制造的线性电流传感器由芯片表面的铜箔和精确的低失调线性霍尔传感器电路组成。当电流流过芯片表面的铜箔时，会产生电磁场。霍尔传感器根据磁场感应线性电压信号。内部电路对其进行放大，滤波，斩波和校正。输出电压信号反映流过铜箔的电流。Acs712具有以下特点：1.低噪声模拟信号路径2.输出上升时间为5μs，对应于步进输入电流。3.80kHz带宽4.总输出误差为1.5％（TA=25°C）。5.小型低厚度soic8封装6.内部导通电阻1.2mΩ7.2.1kvrms最小绝缘电压8.5.0V单电源9.66〜185mv/输出灵敏度10.输出电压与电流成正比11.工厂精度校准12.非常稳定的输出偏置电压13.几乎没有磁滞图3.11电流检测电路图Figure3.11Currentdetectioncircuitdiagram根据设计，铅酸电池组的最大充电/放电电流为10a，因此作为电流检测芯片的acs712系列芯片的范围为20aACS712ELCTR-20A。图3.24显示了输出电压VIOUT和电流IP之间的关系。给我看看。如您所见，在10a电流下，输出电压约为3.5V，比主控制芯片的最大AD采样电压高3.3V。连接到微控制器的AD采样端口之前，必须先将其拆分。如图3.11所示，acs712的输出电压被20KΩ的高精度电阻RC1和30KΩ的高精度电RC2分压，因此输出电压不超过3.3V，输出电压变为VCR。做吧根据STM32手册，公式（3.19）显示了STM32AD转换引脚上输入电阻降雨的计算。其中，TS是采样周期，FADC是AD转换频率，CADC是STM32的内部采样和保持电容，RADC是采样开关的电阻。经过计算，如果STM32AD转换频率为14MHz，采样周期为Ts=239.5，则降雨为350KΩ。为了保证采样速度，采样周期短，降水量小。如果将经过分压后的acs712输入的VCR电压直接连接到STM32AD的采样端口，则会降低抗干扰的能力，并会影响RC1和RC2的分压以及电流检测结果。（3.21）如图3.11所示设计中将分压输Vcr经过运放A2构成电压跟随器后转换成VA2，然后再送入STM32AD采样口，运放的输入电阻对分压电路产生影响可忽略。图3.12VIOUT和IP对应关系图Figure3.12CorrespondencebetweenVIOUTandIP由图3.24知，设计采用的ACS712ELCTR-20A其输出电压VIOUT为：（3.22）STM32AD采样口输入电压VA1满足：（3.23）可计算Ip：（3.24）根据电路设计可知IP为正时表示铅酸电池组在充电，IP为负时表示铅酸电池组在放电。3.9显示模块LCD显示系统可谓是单片机中比较重要的一部分，由于在控制的过程当中，很多物理量是不能直观的得到体现。因此，LCD显示屏对于单片机的控制系统来说是非常重要的去实现人机交互的功能。在这种大优点之下，LCD显示屏在这几年在单片机的控制领域得到了巨大的应用。而其中表现比较好的就是LCD1602，该显示模块的显示精度在同系列表现得比较优异，且功耗较低，该模块可以直接插在电路板，并且通过单片机程序来进行控制显示效果。从图中可以看出显示器的第一行为当前室内温度值，设置安全阈值温度为60℃，此时电池的温度为53.4℃。第二行为当前的电池充电状态，charging表示该锂电池正在充电。图3.13LCD1602接口电路图Figure3.13LCD1602interfacecircuitdiagram3.10按键设置模块本文设计的储能系统控制系统利用按键电路模拟锂电池的充电开始及充电完成的动作。按键电路共有3个按键，分别为S1开启充电按键，S2充电完成按键。当系统上电后，LCD1602显示初始界面：WelcometoChargingStation。按下S1启动充电按键后，开始充电，对应红灯点亮，并有继电器驱动电机旋转（模拟充电）。当按下S2按键时，代表充电结束，此时红灯熄灭，绿灯点亮，充电结束。按键电路如图2.8所示。图3.14按键模块电路图Figure3.14Circuitdiagramofkeymodule3.11声光提示模块对移动储能进行充电时有对应的灯光及报警提示。对于单片机的仿真和实际应用来说，蜂鸣器的驱动模块是十分重要的提醒工具。在实际使用的过程当中，蜂鸣器负责提醒人们所到达的值是否超过阙值，当超过之后蜂鸣器会开始启动报警的功能，来达到提醒人们的作用。对于实际的使用过程中，单片机所输出的电流是很难达到去驱动蜂鸣器的目的，因此在使用过程中，一定需要去使用三极管去去放大电流，最后驱动整个蜂鸣器来达到提醒。声光提示电路如图3.15所示。图3.15声光提示电路Figure3.15Soundandlightpromptcircuit3.12本章小结本章在前文分析出了整体的需求之后，为了进一步将移动储能技术应用于低压配电台当中。本章的主要的作用是分析相关需求，介绍相关移动储能控制设备的整体框图，然后对于各个硬件模块进行简介。

第四章移动储能设备软件设计4.1充电系统主程序设计硬件电路仅提供系统操作的基础，并且需要其他软件来协调硬件电路各部分的工作以实现最佳性能。当与系统的硬件设计相结合时，系统的软件设计采用了模块化的思想。每个硬件模块所需的软件均根据模块进行设计和组合，以降低系统软件设计的总体复杂性。图5.1显示了系统软件设计的总体流程。图4.1充电系统主程序Figure4.1Mainprogramofchargingsystem具体工作流程，系统上电后首先完成时钟、中断等各个功能模块所需资源的初始化；然后开始系统自检，判断时钟存储模块和温度传感器是否连接正常，并将存储在AT24C32中的DS18B20序列号、本机物理地址码、充放电参数读取出来，若出现异常则将进行错误提示。系统自检确认无异常后，开始电池充放电电压、电流、温度等数据的采集。根据采集到的数据，判断电池充放电是否异常，并根据异常情况进行处理：无异常则对数据进行显示，根据需要和主控制板进行通信；普通异常时进入异常处理程序后，继续执行后续程序；若有充放电异常立即中断进入充放电控制程序，对充放电进行控制，并对异常相关的关键数据进行循环检测，直到异常情况得到解决，再退出中断。4.2充放电控制程序设计图4.2显示了充电控制程序的流程。要完成多级恒压限流充电控制，请在启动充电控制程序后，以较小的电压进行预充电，然后根据环境温度计算并设置充电电压的温度补偿值，然后再充电。根据电压和电流的变化以及恒定电压和恒定电流充电逐渐确定充电的阶段。如果电池过热，充电将被中断，并且电池冷却后才能继续充电。在恒定电压和电流限制充电期间，如果电池组中存在过电压和过电流，或者如果需要切换恒定电压充电电压，则将根据电池电压控制的PWM占空比调整充电电压。如果发生过电压或过电流，请根据单电池的极端端子电压进行调整。电池充满电后，请断开充电，以防止阳极长期杂散钝化。在充电过程中，会根据充电电流和时间动态估算SOC。排放控制和自动排放维护的程序设计基本相同，处理流程如图5.4所示。开始放电后，将检测电池温度，电压和电流，并由放电电流和时间确定SOC。当发生过电流时，停止放电以保护电池，并且当单电池的端电压达到当前放电电流的放电结束电压时，停止放电以避免过放电。图4.2充电控制程序流程图Figure4.2Flowchartofchargingcontrolprogram图4.3放电控制程序流程图Figure4.3Flowchartofdischargecontrolprogram4.3显示程序设计当系统开机时，LCD程序首先执行初始化操作。当使用数据传感器进行信号采集时，收集的信号被发送到单片机，由单片机进行处理，然后被发送到LCD屏幕以显示相应的信息。在处理了由单片机收集的数据之后，要显示的字符和数字通过连接到单片机的数据引脚信号线从LCD屏幕发送到LCD显示器，然后在LCD显示器的显示屏上显示。并完成相关信息的显示。LCD程序流程图如图4.4所示。图4.4显示程序流程图Figure4.4showstheprogramflowchart4.4按键扫描子程序设计本设计键盘子程序用于探测开关、是否处在有效的开关状态，以决定是否启动系统运转。读线、读取、相连的端口，并将其值判断处理后存于相关缓存中。由于人手按下时会产生抖动，为了避免系统因为人手抖动产生误操作，所以系统需要对按键信号进行消除抖动处理之后才能把相关信号送给单片机进行处理。则按键扫描子程序流程图如图4.5所示。图4.5按键扫描流程图Figure4.5KeyScanFlowchart4.5编程语言与调试环境选择设计出一套合理的软件程序对于整个系统来说，有着十分重要的作用。而如何去编写出一套好的程序，编程语言的设计又是更加重要的一点，因此，选择出合适的方便的编译语言有着十分重要的作用。在综合实用性和接触性等一系列实际因素的情况下，本次毕业设计拟采用C语言作为本次毕业设计对编译语言。C语言作为整个中国大学生接触最多的一种编程语言，凭借其实用性和易编程的特性成为了单片机的一个主流的编译语言[13]。另一方面，选择C语言的主要原因是C语言本身具有更好的写作结构。无论是阅读还是写作，C语言也比其他语言更易于理解。另外，C语言的最大优点是它是模块化结构，这给程序员带来了很大的好处。通常编写成功的程序后，下一个程序仍可以使用先前程序的一些基本模块。这对于程序员来说非常方便。有了以上优点，本文计划使用C语言编写程序[16]。本项目选择的综合开发环境为KeilC51uv4。KEil软件是由德国公司所研发一套开发环境十分优越的一套综合的开发环境。是目前工程师们用的比较多的且十分常用的一套编译软件，正是因为其的简单实用性，迅速成为了绝大部分工程师的一套开发环境，目前使用该开发环境的工程师有将近30万人，而且正是由于该软件的实用性是比较强的，也是很早被引入到整个中国大学教育的一套教辅工具之一。正是由于以上的几点考量，本文拟采用KeilC51uv4作为本次毕业设计的一套开发环境。4.6本章小结在本章中，基于集成开发环境设计电池充放电控制器软件。查看系统充电主程序控制流程图，详细说明新充电策略的实施过程，并总结每个充电主程序，充电控制，放电控制、对液晶显示和按键部分进行了合理的设计。

第五章移动储能设备控制系统调试与分析5.1电压检测测试在反映串联铅酸蓄电池工作状态的参数中，单个蓄电池的电压非常重要。铅酸电池的状态取决于铅酸电池的充电/放电电压和电流。根据铅酸电池各端子的电压进行电荷平衡控制。电压检测的精度对系统非常重要。在这种设计中，串联电池组的电压检测精度必须为±100mV。单个铅酸电池的电压检测精度为±50mV。为了确保系统安全，在测试之前，必须使用线性光耦合器HCNR201隔离设计的精密电阻器的电压信号。HCNR201增益K3=1时，没有电阻误差，并且tlp179d光耦合器的电阻为零。可以通过将STM32采样电压乘以表3.4中所示的分压比来计算检测到的电压。实际上，要校正根据理想条件计算出的结果误差，需要考虑K3不完全为1，并且电阻存在误差，并且TLP179d的导通电阻不为0。由于共模方法用于检测4单元铅酸蓄电池的端电压，因此有必要测试并校正4电路电压检测的误差。在测试中，直流电压源的电压由压敏电阻分压并连接到分压器网络的主控制芯片STM32，以对隔离的电压信号进行AD转换。将与转换结果相对应的部分电压增益直接乘以输入电压的系统测量值，然后与输入电压表的测量值进行比较，以进行误差分析和校正。表5.1列出了第一级分压器网络实际输入电压的电压表测量值以及误差校正之前的系统测量值。表5.1电压表测量值和修正前系统测量值Table5.1Voltmetermeasurementvaluesandsystemmeasurementvaluesbeforecorrection电压表测量值（V）修正前系统测量值（V）电压表测量值（V）修正前系统测量值（V）15.0315.3211.8912.1114.9315.1911.5911.8014.5814.8611.2811.4914.2814.5511.1511.3613.7914.0410.7410.9313.5013.7710.6310.8113.3013.5610.1210.3013.1613.419.8710.0512.8513.109.319.4712.4812.718.588.7312.1512.368.458.61对其他三级分压网络进行误差修正，STM32微控制器使用从测试中获得的最小二乘法来校正理想状态计算结果并拟合线性参数。表5.2列出了修改后的系统充电/放电电压检测测试数据。在此，电池1和电池4相当于串联铅酸电池组中的最高电压电池至最低电压电池。从表5.3中可以看出，电压检测可以满足设计要求的精度。串联电池组的电压检测精度为±100mV，单节电池的电压检测精度为±50mV。表5.2电压检测测试数据Table5.2Voltagedetectiontestdata状态测量项目电压表测量值（V）系统测量值（V）绝对误差充电电池1端电压14.3514.380.03电池2端电压14.3714.360.01电池3端电压14.3514.370.02电池4端电压14.3614.380.02电池组端电压57.4357.480.05放电电池1端电压11.2111.190.02电池2端电压11.1911.220.03电池3端电压11.2211.20.02电池4端电压11.1811.210.03电池组端电压44.8244.850.035.2电流检测测试通过开路电压法和安培小时积分法估算系统SOC，以完成恒压限流充电控制，这需要更准确的电流检测数据。电池安全系统设置的最大充电/放电电流为10a，电流检测测试的结果如表5.3所示。表5.3电流检测测试数据Table5.3Currentdetectiontestdata状态电流表测量值（A）系统测量值（A）绝对误差（A）相对误差充电9.9610.086.470.091.43.573.520.051.41.791.760.031.70.620.630.011.6放电9.9510.056.813.160.051.62.572.530.050.021.8ACS712电流检测芯片的最大误差为1.5％。从表6.4可以看出，电流检测误差随着充电/放电电流的减小而增加。这可能是由于acs712的输出电压处的低电流和低电流电磁干扰引起的。该误差可以满足小于设计要求2％的要求。5.4充电电压控制测试为了确保电池安全并防止过充电电流，必须在充电电压控制测试之前将串联铅酸电池充满电，然后设置目标输出电压值。测试系统是否可以控制降压电路以将输入电压（通常为65V）降至设定电压。在测试中，输出电压设置为53V（最小输出），55V，58V和60V（最大输出）。所有这些都符合移动储能的相关指标。5.5整体测试完成各模块测试后开始对系统进行整体测试，测试结果表明，系统中的所有模块都可以正常工作。温度，电压和电流感测可以满足系统设计要求：温度感测精度±0.5°C，串联电池电压感测精度±100mV，单节电池电压感测精度±50mV电流感测误差比充电时高2％放电监控器的温度控制面板小于等于补偿电池组的充电电压，并根据串联铅蓄电池组的极限单电池的端电压调整充电电压，以实现均衡的充电控制。5.6本章小结本章重点介绍铅酸电池充放电监控系统的测试和分析。电压检测使用最小二乘法来分析误差并校正测量结果。测试结果表明，设计的充放电监控系统可以有效完成铅酸蓄电池的充放电监控。另外对于充电的电流也进行了相关的概述。经过相关的一系列测试，发现所设计的移动储能设备可以满足技术指标的相关要求，

第六章结论与展望6.1全文总结为了进一步响应整体的国家电网对于配网储能的相关的重视，本文拟采用因地制宜推进配网侧储能应用，发挥储能在配电网局域调峰、提高供电可靠性、改善电能质量等方面的价值的前提，是当前储能应用研究的热点。结合低压配电台区常见供电问题。由于低压配电台在整个实际中的应用前景是十分广阔的，因此去改善并且达到提升其输出电能的质量和改善波峰削谷，并且极大提升整个低压配电台的可靠性具有十分重要的意义。本文所做的主要工作如下：首先，分析了国内外在低压配电台方面的相关的技术研究，分析国内外的未来发展趋势，总结出了移动储能设备对于低压配电网的电能质量会带来大幅度提升。分析了移动储能设备的相关技术需求，明确了铅酸蓄电池在移动储能设备当中具有十分广阔的应用前景，介绍其工作原理和充放电特性。分析了传统了移动储能设备在充放电过程当中对于铅酸蓄电池的损害较大