基于虛擬仿真技術(shù)的鉛酸蓄電池充電特性實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

唐影 張春富

摘要：為了建立適用于人才發(fā)展需要的新的實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式，形成完善的實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系，提高實(shí)驗(yàn)教學(xué)的效率和質(zhì)量，建立了基于虛擬仿真技術(shù)的鉛酸蓄電池充電特性實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。實(shí)驗(yàn)依據(jù)鉛酸蓄電池的數(shù)學(xué)模型和初始參數(shù)設(shè)定，根據(jù)設(shè)定的初始荷電狀態(tài)、環(huán)境溫度、時(shí)間倍速和充電電流估算蓄電池的充電和極化狀態(tài)，在2課時(shí)內(nèi)完成整個(gè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程。基于虛擬仿真技術(shù)的鉛酸蓄電池充電特性實(shí)驗(yàn)克服實(shí)際充電實(shí)驗(yàn)周期較長(zhǎng)的弊端，幫助學(xué)生了解鉛酸蓄電池在光伏系統(tǒng)中的作用、理解鉛酸蓄電池充電過(guò)程的電化學(xué)反應(yīng)和參數(shù)變化規(guī)律，掌握鉛酸蓄電池的充電特性。

關(guān)鍵詞：虛擬仿真技術(shù);鉛酸蓄電池;充電特性

中圖分類號(hào)：G642.0文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

太陽(yáng)能光伏發(fā)電原理與應(yīng)用實(shí)驗(yàn)課程是電子電氣類、新能源科學(xué)與工程專業(yè)學(xué)生的一門重要的專業(yè)實(shí)踐課。通過(guò)實(shí)驗(yàn)使學(xué)生進(jìn)一步加強(qiáng)對(duì)理論知識(shí)的理解，深入理解光伏電池的輸出特性、照度特性和常用控制機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)與控制原理。傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容包括太陽(yáng)能光伏電池的伏安特性測(cè)試、光照電流電壓特性測(cè)試、太陽(yáng)能光伏電池板跟蹤控制和局部遮擋輸出特性測(cè)試等。而在光伏發(fā)電系統(tǒng)產(chǎn)生的電能需要蓄電池進(jìn)行儲(chǔ)存和調(diào)節(jié)，以提供持續(xù)穩(wěn)定的電能供應(yīng)。蓄電池的正確充電是光伏發(fā)電系統(tǒng)運(yùn)行和管理中至關(guān)重要的問(wèn)題。[1]傳統(tǒng)試驗(yàn)中因?yàn)樾铍姵爻潆妼?shí)驗(yàn)周期較長(zhǎng)，實(shí)驗(yàn)設(shè)備成本等原因沒(méi)有設(shè)置蓄電池充電特性實(shí)驗(yàn)，為了建立適用于人才發(fā)展需要的新的實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式，形成完善的實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系，提高實(shí)驗(yàn)教學(xué)的效率和質(zhì)量，建立了基于虛擬仿真技術(shù)的鉛酸蓄電池充電特性實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。

1 鉛酸蓄電池充電特性

目前在光伏發(fā)電系統(tǒng)中普遍采用鉛酸蓄電池組進(jìn)行儲(chǔ)能，鉛酸蓄電池的使用壽命和充電管理有著密切關(guān)系。[2]鉛蓄電池由正極板、負(fù)極板、隔板、電槽及電解液（稀硫酸溶液）組成。電極在完成充電后，正極板從硫酸鉛轉(zhuǎn)變?yōu)槎趸U，負(fù)極板從硫酸鉛轉(zhuǎn)變?yōu)楹＞d狀鉛，且蓄電池的電動(dòng)勢(shì)與硫酸溶液的密度線性相關(guān)。

鉛酸蓄電池充電過(guò)程的電化學(xué)反應(yīng)的方程式如下：

充電：PbSO4 + 2H2O + PbSO4 → PbO2+ 2H2SO4 + Pb

鉛酸蓄電池的恒流充電特性如圖1曲線所示，蓄電池充電過(guò)程有3個(gè)階段：初期（OA），電壓快速上升;中期（AC），電壓緩慢上升，延續(xù)較長(zhǎng)時(shí)間;C點(diǎn)為充電末期，電壓開始快速上升，接近D點(diǎn)時(shí)，標(biāo)志著蓄電池已充滿電，應(yīng)停止充電。整個(gè)充電實(shí)驗(yàn)持續(xù)時(shí)長(zhǎng)約20小時(shí)。

依據(jù)D點(diǎn)的電壓為蓄電池已充滿標(biāo)志這一原理，在充電回路中設(shè)置精密電壓測(cè)量電路，通過(guò)對(duì)蓄電池端電壓值的監(jiān)測(cè)，即可判斷蓄電池是否應(yīng)結(jié)束充電。對(duì)光伏發(fā)電系統(tǒng)所采用的12V免維護(hù)閥控密封式鉛酸蓄電池，25℃時(shí)充電終止電壓一般設(shè)置為2.35V/單體或14.1V。

2 虛擬仿真平臺(tái)的系統(tǒng)構(gòu)架

系統(tǒng)架構(gòu)如圖2所示，客戶端通過(guò)學(xué)校虛擬仿真實(shí)驗(yàn)路由或網(wǎng)管訪問(wèn)鉛酸蓄電池充電特性實(shí)驗(yàn)服務(wù)器，獲取實(shí)驗(yàn)操作界面，登陸后用戶設(shè)定的數(shù)據(jù)和操作和服務(wù)器之間實(shí)時(shí)交互存儲(chǔ);鉛酸蓄電池充電特性實(shí)驗(yàn)服務(wù)器提供蓄電池的實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ停⒏鶕?jù)用戶設(shè)定和實(shí)驗(yàn)進(jìn)程返回?cái)?shù)據(jù)供客戶端顯示。

實(shí)驗(yàn)的預(yù)設(shè)參數(shù)如下：

（1）鉛酸蓄電池：規(guī)格12V/1Ah，三檔可調(diào);

（2）充電電源：恒流源，三檔可調(diào);

（3）環(huán)境溫度：25℃，操作可調(diào)，軟件自動(dòng)計(jì)算充電終止電壓;

（4）初始荷電狀態(tài)：充分靜止，5%，操作可調(diào);

（5）實(shí)驗(yàn)計(jì)時(shí)器：軟件計(jì)時(shí)器，倍速二檔可調(diào)。

引入虛擬仿真實(shí)驗(yàn)技術(shù)，不要求實(shí)驗(yàn)用鉛酸蓄電池處于深度放電狀態(tài)，可以突破鉛酸蓄電池實(shí)際充電電流的限制，因而可以顯著加快鉛酸蓄電池的充電實(shí)進(jìn)程，獲得完整的鉛酸蓄電池充電特性曲線;鉛酸蓄電池深度放電使用會(huì)嚴(yán)重縮短其使用壽命，因此虛擬仿真實(shí)驗(yàn)還可以降低實(shí)驗(yàn)成本，提升實(shí)驗(yàn)教學(xué)時(shí)的學(xué)生參與度和實(shí)驗(yàn)成就感。

教學(xué)方法采用虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，在一人一機(jī)的條件下完成實(shí)驗(yàn)教學(xué)的內(nèi)容。

3 實(shí)驗(yàn)步驟及考核要求設(shè)計(jì)

學(xué)生在實(shí)際實(shí)驗(yàn)前應(yīng)做好充分預(yù)習(xí)，了解實(shí)驗(yàn)原理和操作步驟，通過(guò)模擬實(shí)驗(yàn)和提問(wèn)檢驗(yàn)預(yù)習(xí)效果，再通過(guò)授課時(shí)細(xì)節(jié)及難點(diǎn)的講解幫助學(xué)生更好的完成實(shí)驗(yàn)。

3.1 實(shí)驗(yàn)步驟設(shè)計(jì)

實(shí)驗(yàn)人員登陸系統(tǒng)，進(jìn)入試驗(yàn)后，按以下步驟進(jìn)行實(shí)驗(yàn)：

（1）設(shè)定實(shí)驗(yàn)用鉛酸蓄電池容量、恒流源輸出電流值、實(shí)驗(yàn)環(huán)境溫度、系統(tǒng)自動(dòng)修正充電終止電壓值、實(shí)驗(yàn)用鉛酸蓄電池初始荷電狀態(tài)、實(shí)驗(yàn)計(jì)時(shí)倍速;

（2）按照原理圖圖3連接實(shí)驗(yàn)導(dǎo)線;

（3）閉合開關(guān)K2，記錄電壓表所測(cè)鉛酸蓄電池初始電壓值;

（4）閉合開關(guān)K1，記錄電壓表所測(cè)鉛酸蓄電池瞬態(tài)初值;

（5）根據(jù)軟件定時(shí)器，每隔10分鐘電壓表的測(cè)量值;

（6）重復(fù)步驟5，直至電壓表測(cè)量值達(dá)到充電終止電壓值;

（7）記錄電壓表所測(cè)鉛酸蓄電池充電終止值;

（8）斷開開關(guān)1，記錄電壓表所測(cè)鉛酸蓄電池瞬態(tài)終值;

（9）每隔1分鐘記錄電壓表所測(cè)鉛酸蓄電池去極化端電壓;

（10）重復(fù)步驟7，直至電壓表測(cè)量值的變化量小于1mV;

（11）根據(jù)步驟46的時(shí)間數(shù)據(jù)和電壓數(shù)據(jù)，繪制鉛酸蓄電池的充電特性曲線;

（12）根據(jù)步驟78的時(shí)間數(shù)據(jù)和電壓數(shù)據(jù)，繪制極化電壓的時(shí)間曲線;

（13）拆除導(dǎo)線，關(guān)閉電源，結(jié)束實(shí)驗(yàn)。

3.2 考核要求設(shè)計(jì)

（1）撰寫實(shí)驗(yàn)報(bào)告，對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行曲線擬合，分析曲線變化規(guī)律和內(nèi)因;

（2）分析步驟3和步驟4的數(shù)據(jù)差值，思考其原因;

（3）分析步驟7和步驟8的數(shù)據(jù)差值，思考其原因;

（4）若改變鉛酸蓄電池的初始容量，思考充電時(shí)長(zhǎng)的變化和原因;

（5）若改變鉛酸蓄電池的充電電流，思考充電時(shí)長(zhǎng)的變化和原因;

（6）上述思考題可現(xiàn)場(chǎng)討論。

學(xué)生實(shí)驗(yàn)成績(jī)?cè)u(píng)分標(biāo)準(zhǔn)參照以下幾點(diǎn)考核：

（1）是否能正確安裝客戶端虛擬仿真實(shí)驗(yàn)軟件并運(yùn)行;

（2）是否預(yù)習(xí)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，實(shí)驗(yàn)任務(wù)是否明確;

（3）是否能正確使用軟件，獨(dú)立、正確的完成實(shí)驗(yàn)操作;

（4）實(shí)驗(yàn)報(bào)告是否內(nèi)容完整、敘述嚴(yán)謹(jǐn)、版面布局合理整潔、數(shù)據(jù)處理過(guò)程完整正確、實(shí)驗(yàn)結(jié)論是否正確;

（5）是否能正確回答實(shí)驗(yàn)思考題，實(shí)驗(yàn)討論有一定的見解。

4 結(jié)語(yǔ)

本虛擬仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目依托虛擬現(xiàn)實(shí)、多媒體、人機(jī)交互、數(shù)據(jù)庫(kù)和網(wǎng)絡(luò)通訊等技術(shù)，構(gòu)建高度仿真的虛擬實(shí)驗(yàn)環(huán)境和實(shí)驗(yàn)對(duì)象，使得學(xué)生可在虛擬環(huán)境中開展實(shí)驗(yàn)，理念先進(jìn)。

實(shí)驗(yàn)依據(jù)鉛酸蓄電池的數(shù)學(xué)模型和初始參數(shù)設(shè)定，根據(jù)設(shè)定的初始荷電狀態(tài)、環(huán)境溫度、時(shí)間倍速和充電電流估算蓄電池的充電和極化狀態(tài)，在2課時(shí)內(nèi)完成整個(gè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程，克服實(shí)際充電實(shí)驗(yàn)周期較長(zhǎng)的弊端，達(dá)到《太陽(yáng)能光伏發(fā)電原理與應(yīng)用》教學(xué)大綱所要求的教學(xué)效果，幫助學(xué)生了解鉛酸蓄電池在光伏系統(tǒng)中的作用、理解鉛酸蓄電池充電過(guò)程的電化學(xué)反應(yīng)和參數(shù)變化規(guī)律，掌握鉛酸蓄電池的充電特性。實(shí)驗(yàn)通過(guò)逼真的多媒體表現(xiàn)形式，讓相對(duì)抽象的實(shí)驗(yàn)過(guò)程濃縮在形象逼真的動(dòng)畫演示中，最大限度地發(fā)揮虛擬元器件資源的優(yōu)勢(shì)，降低實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備時(shí)間和耗材成本，提高教學(xué)效果。

參考文獻(xiàn)：

[1]何道清.太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)原理與應(yīng)用技術(shù)[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2012.

[2]王永濤.淺析影響航標(biāo)用鉛酸蓄電池使用壽命的主要因素[J].通信電源技術(shù)，2015，32（2）：132134.

作者簡(jiǎn)介：唐影（1989），女，滿族，黑龍江雙城人，助教，碩士，主要研究領(lǐng)域新能源發(fā)電，電力電子技術(shù);張春富（1977），男，副教授，博士，主要研究領(lǐng)域自動(dòng)化測(cè)試與控制。