摘 要： 为了充分节约能源，提高路灯控制系统的智能化，介绍了一种基于GSM的太阳能路灯控制系统。系统通过太阳能电池板把光能转换成电能存储在锂电池中，利用STC12C5A16S2单片机内置AD采集锂电池电压数据，并通过GSM模块把锂电池电压不足的信息发送给手机，工作人员可通过手机回复短信，让单片机控制继电器切换路灯工作电源。该方案对于太阳能利用以及远程路灯控制有很大帮助，应用前景广阔。
关键词： GSM； 单片机； 太阳能电池板； 光敏电阻
中图分类号：TP273.5 文献标志码：A 文章编号：1006-8228（2016）07-59-03
Design of the solar street light control system with GSM
Zhang Xiaojuan
（Huizhou Power Supply Bureau of Guangdong Power Grid Co.，Ltd.， Huizhou， Guangdong 516003， China）
Abstract： In order to save energy and improve the intelligent control system of street lamp， this paper introduces a kind of control system of solar street lamp based on GSM. The system uses the solar panel to convert light energy into electric energy stored in the lithium battery， uses STC12C5A16S2 MCU built-in AD converter to acquire lithium battery voltage data， and sent the lithium battery low voltage information to the mobile phone through GSM module， the engineer can reply message through the mobile phone， and control relay to switch lamp power supply. The scheme has great help to the utilization of solar energy and the remote control of street lamps， and has broad application prospects.
Key words： GSM； MCU； solar panel； photosensitive resistor
0 引言
太阳能是干净、无污染且随处可得的能源，而且取之不尽、用之不竭。在化石能源日渐短缺的今日，选择太阳能作为替代能源是解决能源危机的有效途径之一[1]。目前国内大部分城市的道路照明管理系统至今仍在沿用简单的光控、钟控等传统控制方式。这些系统普遍存在着难以反馈路灯运行状态信息、难以进行远程控制等局限，基本没有节电效果，并且采用传统的人工巡检，不仅使路灯管理部门的任务繁重，也增加了运行维护的费用[2]。本文运用光能转换成电能这一节能减排、可持续发展理念，设计了一个可远程控制的太阳能路灯系统。
1 系统结构与工作原理
本系统由单片机控制中心、GSM模块、太阳能电池板及充电管理模块和锂电池等模块构成，总体架构如图1所示。
系统采用STC12C5A16S2单片机作为主控芯片，当光敏电阻检测到光线亮度小于设定的值时，打开LED灯，通过单片机内置AD模块采集锂电池电压数据，如果锂电池电压小于2.8v（当锂电池电压小于2.7V，则处于过放状态，会损害电池，减少电池使用寿命），单片机就会控制GSM模块给工作人员发送短信，工作人员可以回复该短信实现远程操控，切换路灯电源供应方式，以提高路灯持续工作能力及节电节能。
2 系统硬件设计
STC12C5A16S2是一款新型的单片机，由中央处理器（CPU）、程序存储器、数据存储器、定时/计数器、UART串口、I/O接口、高速AD接口、SPI接口、看门狗及片内振荡等模块组成[3]。利用单片机的内置AD采集锂电池电压数据，采集到的数据传输到单片机P1.0口，通过单片机内置AD转换计算。如果锂电池电压小于2.8v，单片机则会控制GSM模块给工作人员发送短信，工作人员收到短信后可以回复短信实现远程操控，切换路灯电源供应方式。系统的总电路如图2所示。
2.1 GSM模块设计
系统中的无线通讯GSM模块采用SIM900A，sim900A是一个专门为中国大陆和印度设计的2个频端的GSM模块，它的工作频段是EGSM 900MHz和DCS 1800MHz。GSM模块是一个电子集成器件，它包含各种部件如：GSM射频、基带频率处理芯片、功率放大器件、存储器等，所有不同功能的器件集成在一块电路板上。这个模块自带GSM射频处理、单独的操作系统、基带处理而且内嵌TCP/IP协议等功能模块。模块能够实现打电话、发短信和上网等功能。文献[4]中详细介绍了单片机与SIM900A的通信方法，与单片机采用串口通讯，波特率为9600MHz，定时器1定时寄存器TH1=TL1=0xFD，使用AT指令来完成单片机与GSM模块之间的字符传输。GSM模块采用的是TTL电平，GSM模块的电源端口接5V电压，VCC_MCU端口接5V电压（高电平的基准电压），模块的RXD接单片机的TXD，GSM模块的TXD接单片机的RXD，模块GND接单片机的GND。
2.2 太阳能电池板及充电管理设计
本系统的电源来自于太阳电池板，把照射到太阳能电池板上的太阳光，利用光伏效应直接将光能转换成直流电能输出。由于本系统限定的电流值为1A，充电管理模块的电压为3.5V-35V，而采用的太阳能电池板功率过高，输出电流最大值为2.5A，输出电压最大值为22V。所以要将太阳能电池板遮住两格以减少输出电流，并把太阳能电池板的输出经降压模块降至7V后，再输入到充电管理模块，由充电管理模块对锂电池进行充电管理，防止过冲。最后通过升压模块把锂电池输出的电压提高到直流5V。
2.3 充电管理模块设计
充电管理模块的设计采用TP4056芯片，芯片会根据电池电压自动调节，依照电池电压的大小来选择采用恒定电流还是恒定电压进行充电。TP4056充电芯片内部基于PMOSFET架构和防倒充电路，因此不再设计隔离二极管电路，从而使得充电电路简单可靠。芯片通过对一个调节电阻进行设置来控制充电电流大小，而充电电压最高为4.2V则最高为4.2V。当充电电流在达到最终浮充电压之后降至设定值1/10时，TP4056将自动终止充电循环。当断掉输入电压时，TP4056充电芯片会自动进入低功耗模式，使得锂电池漏电流被降至3μA。TP4056充电芯片还包括欠压闭锁及电池的温度检测等功能[5]。它是针对单节锂电池充电管理的芯片，在硬件设计中，在充电输出端口增加二极管，是防止电池电流倒流。模块充电电压恒定于4.2V，而充电电流通过外部电位器进行设置。
3 软件设计
前文中详细阐述了基于GSM太阳能路灯控制系统硬件电路各个组成模块的功能和工作原理，而接下来就是这个系统的核心部分，即软件控制系统的设计。软件系统是这个控制系统的灵魂，其设计有极大的灵活性，在硬件结构一定的情况下，系统的智能性几乎完全靠软件来实现。对于设计者而言，软件系统的设计重在把设计者的严密思路转换成电路及芯片之间能够流通和交流的信号和“语言”。
在此次设计中，软件结构仿效硬件电路的设计理念，采用模块化设计，各个功能程序分别编写并调试，在各模块调试成功后，再将所有模块连接整合，构成总系统的软件。这样，不仅有利于程序代码的优化，而且便于编程、调试、维护和协作。设计单片机软件主程序流程图如图3所示。
4 结论
本文详细介绍了基于GSM的太阳能路灯控制系统的设计方案与软硬件实现过程。对单片机控制、GSM模块、光敏电阻模块和太阳能电池组件等各个部分的功能、实现过程作了详细介绍。该系统能够可靠地对城市路灯进行有效的数据采集、自动判断、自动报警，能够对锂电池进行有效的充电管理，同时能够便捷地接收远程命令控制继电器切换路灯工作电源，达到节能要求，其具有体积小，工作可靠，控制便捷等优点。该方案对于太阳能利用以及远程路灯控制有很大帮助，应用前景广阔。
参考文献（References）：
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[4] 王明新.基于SIM900A的GSM远程监控系统设计[J].电脑
知识与技术，2014.10（5）：3500-3503
关键词：人为因素；组件质量；影响
Abstract: This paper aimed at the process of crystal silicon solar cell assembly production due to the impact of human factors on the quality of the products, and explores it from raw material inspection, production process, laminated, cutting edge and a plurality.
Keywords: human factors; assembly quality; influence
中图分类号：TN6文献标识码：A文章编号：
O引言
在信息高速发展的今天，环境问题已成为全球各国亟待解决的问题，太阳能被视为具有最佳潜力的能源。晶体硅太阳电池组件作为现代光伏发电的主力军，具有极大的发展空间。虽然目前全球晶体硅太阳能生产还处于初始发展阶段，但其理论与实际都得到了极大的提高。这为太阳能电池组件制造行业带来了前所未有的发展机遇，同时也提出了更高的质量要求。但是在晶体硅太阳电池组件的实际生产中其质量方面的保证还存在一定的人为因素影响，本文就针对人为因素对晶体硅太阳电池组件生产质量的影响进行简单分析。
1、人为因素对产品质量的影响
1.1、原材料的控制
在晶体硅太阳电池组件生产中，原材料种类繁多，进口与国产材料间性能的差异等都给太阳电池组件封装质量带来了不可避免的问题；现在国内从事组件封装的企业越来越多，各企业之间所占的市场份额却在逐步缩减，竞争激烈；各家为降低成本想尽了各类办法，其中就在原材料成本上猛下功夫，采用低价格、性能不稳定的原材料以达到降低成本的目的，但这样做的后果就是往往出现了太阳能电池组件使用寿命大大减少，完全满足不了对客户承诺的使用25年的期限。
在整个封装过程中除太阳单体电池外，EVA这一特殊材料在组件质量方面起到了至关重要的作用。众所周知，EVA是乙烯和醋酸乙烯的共聚物，它主要起粘接密封作用。当EVA的交联度大于60%以上时，性能较稳定，弹性韧性度能达到最佳状态，也就最能承受大气的变化，发生热胀冷缩的可能性很小；反之就有可能产生电池片碰片短路或将电池片拉裂等等现象。从某种意义上来说，太阳电池组件的使用寿命由EVA决定；因此要想产品性能稳定，使用寿命长就必须选购高品质的原材料，严格按照规定密闭保存、使用。由于国内各地气温、湿度的差异，尤其是高原地带，早晚气温温差大，湿度低，气候干燥，在放置EVA、TPT这类材料时，就会产生很大的静电，很容易将生产环境中的杂质吸附上来，这类异物肉眼很难看到，但经过层压后，就会大大影响产品外观质量。这些微小之处会对企业长足的发展带来可观的收益。
作为隔绝大气污染以及其他环境因素影响的钢化玻璃和TPT也同样有着不可忽视的作用。钢化玻璃的质量直接影响组件的质量，钢化不完全或未钢化的玻璃在温度的作用下很容易产生破碎，不要说保证使用寿命，能不能出厂都是个问题。只有完全钢化的钢化玻璃才不会在高温的作用下破碎，从而保证组件的质量。
TPT是在整个组件中起到了密封，隔绝大气以保证使用寿命的作用。根据组件生产尤其是100W以上组件的生产厂家的需要，生产厂家在生产TPT时已将产品厚度增了50%，这样做对于100W以上的组件质量有了一定的提高，但对于小组件就会出现开胶等一系列影响产品外观要求的质量问题。这就需要技术人员加强工艺跟踪，随时调整工艺参数。当然，如果采用厚度较薄的产品和TPT替代品，小组件生产厂家就能够避免此类问题的发生。
1．2分检
产品质量的优劣还有一个重要因素是产品的电性能，这就要在封装前根据电压、电流进行分类，使得串接后的产品电流能够不流失，符合组件的电性能。但有时由于操作工的大意而将高电流与低电流电池片混放在同一电池组件中，那串接电流的特性势必要损失掉一大块，就会出现投入、产出差别较大的现象。分拣电池片时分拣电池片的仪器还存在一定差异，会造成电池片经过分拣后，所制成的组件在如电压、电流、功率等参数有所偏差，使得组件生产完成后与预期理论上的组件参数有所偏差。分拣电池片时硅片本身也有很大的差异。再分拣电池片时所处环境的温度、湿度以及电池片本身的电特性因数均会使生产出的组件与理论值有所差异，因此再电池片分拣中这些问题都需要人为的使这些客观条件，尽可能保持一个水平。如在温差极大的高原地区，气温低的早上所测试电池片的电压、电流值和下午两点所测试的电压、电流值有一定的差距，这就需要操作人员在测试中全程通过一定的设备将气温、大气湿度保持再一定的水平，以保证电池组件的电特性能。
1.3划片
随着太阳能电池组件的发展，其所应用的领域也越来越广泛，此时各种规格和尺寸的太阳能电池组件也随之出现按照客户的需求将较大尺寸电池片切割成相应功率较小、尺寸较小的电池片，这就要求操作人员对硅片的尺寸有充分的了解，在电池片的切割过程中能够大大提高电池片的利用率，但由于太阳单体电池本身的特殊性，操作人员一定要注意不得裸手接触电池片，以减少对电池片的污染。在划片时一定要将电池片位置放正，尽量避免操作过程中出现的误差；另外，划片电流不宜太大，应保证划到电池片厚度的2/3为标准，否则就会对电池片产生一定的损伤影响组件性能。
1.4焊接
由于受到硅材料紧缺的影响，现在的硅片生产厂家力图减少电池片的厚度以达到高产出的目地，这就对焊接工序提出了更高的要求，如果操作人员对焊接温度及环境温度不加控制，就极易产生大量的碎片及隐裂；焊接中由于操作人员的疏忽大意造成虚焊，漏焊组件电极，电池组件便会出现无数据的现象，这样就会大大降低成品率。在这一生产工序中，操作员同样不得裸手操作，直接接触电池片，进入生产区的操作员应该将工作服，工作帽以及工作鞋穿戴整齐，在操作过程中应按照工艺要求进行操作。
1.5层压
大家知道，太阳电池片的机械强度非常低，且在空气中易老化和损伤，需要加以支撑和保护，层压过程是晶体硅太阳能电池组件生产线上的重要的环节，是将电池片通过EVA固定到钢化玻璃上，以提高电池组件的机械强度，隔绝大气以及环境对电池片的影响，提高产品的使用寿命。层压工艺的成熟度直接影响到产品质量的好坏，层压中层压设备的调试是关键，一般对组件层压机的参数要求有：温度均匀性、作业真空度、层压压强、温控精度等。不同型号的组件所设参数均有不同，这些都是影响晶体硅太阳电池组件质量的重要因素，还有EVA 在层压机中的溶解度、TPT的收缩性都直接对晶体硅太阳能电池组件的质量产生影响。所以每一家企业都需根据自身摸索出一套适时可行的工艺参数，操作人员严格执行，不得随意更改以保证产品品质。
1.6割边
晶体硅太阳能组件经过层压后，要将多余的EVA、TPT进行割边处理，割边是晶体硅电池组件生产中很容易被忽视的细节，经过多年的生产经验，发现在操作人员进行割边时美工刀的切入口方向、割边手法的不同均会对组件造成边缘翘起、边缘EVA开胶等现象，这一细节的忽视极大的影响组件的优质率，以及增加组件的返修几率。目前还没有具体规范文件针对割边，但是相信经过积累大量的生产经验和总结，最终会将这一生产不断规范化。
2.组件外观要求
在晶体硅电池组件生产成成品后，要经过电特性等一系列参数的测试还有就是外观检验，现在由于各企业本身规模和能力的不同，对组件的质量要求也是天差地别，组件的电特性参数测试有具体的数据作为证据来判定其组件的型号，但是晶体硅电池组件的外观检验主要是采取人工检验，检验时检验文件不够全面、不够细化致使其具有一定的局限性，加之检验人员的主观意识，这就是相同组件会被判定为不同级别的重要原因。因此在制定此类检验规范时，一定要做到全面、规范考虑，要将人为因素充分考虑进去，以避免在检验过程中掺杂太多人为的主观意识。
为了满足大型工业企业的生产目标，需要及时对单片机电池系统进行检测，以便发现系统存在的故障，在检测的过程中，要采用单片机做主控单元，利用主控功能对温度开始检测和采集数据，主要介绍单片机在锂离子蓄电池充放电过程中温度检测的应用，并结合电压发电流对温度控制影响，从温度控制的模块中，找到系统的工作原理，并根据具体的要求编写了适合本设计的软件程序。基于此，本文探讨了基于单片机技术的电池检测系统的设计与实现。
【关键词】单片机技术 电池检测系统 设计 实现
随着我国综合经济水平的不断提高，人们对高科技技术的需求越来越大，为了实现工业自动化的控制生产模式，技术人员逐渐加大了对技术研发的力度，形成了集中测控系统、过程控制、机电一体化设备为一体的单片机技术。工业企业的不断发展，使得传统的单片机技术已经不能满足生产和加工的需求，电池检测系统也不能根据温度、电压、电流的变化，掌握到技术应用的技巧。所以要通过实时在线监视、检测、数据采集等处理的过程，来设计检测系统，使检测系统可以根据单片微型计算机技术的应用情况，明确系统完善的方式。
1 单片机电池检测系统的硬件设计
1.1 电量的检测
当单片机检测到一个电池电量时，要求技术人员要通过检测锂离子蓄电池充放电回路的电流，进而明确电池组的端电压，在锂离子蓄电池组充放电回路中放入一个阻值很小的电阻，确保电阻的阻值不会影响到电池组的端电压，当为电池组充电的过程中，电压值为负；放电时，电压值为正，并把这个电压作为电路的输入电压。通过这种电量检测的方法，可以更加准确的了解到电池组的实际运行情况，以及两端的端电压，技术人员也可以根据检测的结果，制定出系统优化的方案。
1.2 电量的转换
在电量转换的过程中，需要组成一个运算电路，并要确保电路两端有输入的电压，一个作用是降低电阻上的电压，另外一个是稳定系统的电压值。这种双重的控制方式，可以更加真实的反映出电池组的实际温度。电量转换的过程会涉及到很大的输入电压，所以技术人员要合理控制好电压的流量，最大程度的保障系统的正常运行，运算结束后需要把A/D转换器直接接到单片机上，利用转化器的接口实现电压的控制，同时A/D转换器也要将输入的电压模式转换成模拟的数字电压量。转换之后的模拟信号量会在LED灯的作用下，显示出来，这个过程的结束，说明电量已经成功完成转换的过程，得到的数据也是真实、可靠的，技术人员可以根据数据显示的内容，去调整系统的工作形式。
1.3 温度控制电路设计
根据单片机技术的电池温度检测目标，在工业生产的过程中，通过温度控制电路的设计和实现，来及时的检测电路的运行情况，以及掌握到温度变化的规律。在设计电路时，要通过单片集成两端的温度传感器检测温度的变化，首先，控制水温在0-100度之间，驱动电压在4-30V之间，电量转换的形式为电压型，这种温度设计的电路要求技术人员要严格控制电压和电量，既要保障电路的顺利运行，又要提高温度控制的能力。
1.4 温度报警电路设计
根据多路温度控制系统的运行要求，进行温度报警电路的设计，单片机的中央处理器负责运算和操作控制，主要包括报警系统的运算器和控制器，这种温度报警系统的设计可以满足系统检测的需求。温度报警的功能就是及时发现系统电压和电流的变化规律，在电压和电流的含量影响到系统的安全时，要及时发出警报，使技术人员可以了解到系统存在的故障，进而停止电池检测系统的运行，避免系统硬件设施的损坏。
2 单片机电池检测系统的软件设计
2.1 温度采集模块设计
在设计温度采集数据模块时，要利用数据模拟量的范围，来确定温度变化的区间，温度采集模块的设计，要满足电量转换和显示的需求，因此，技术人员需要根据实际的检测系统形式，设置出数字量转换的环境和空间，使其可以满足单片机控制的要求。单片机技术的控制形式会影响到温度采集的数据，所以为了提高数据信息的准确性，并通过温度采集的过程，利用中断方式来实现A/D转换，进而使单片机可以对数据进行处理及存储。
2.2 数字滤波程序设计
在单片机技术的电池检测系统设计和实现的过程中，数字滤波程序的设计就是为了彰显出程序的高精度性和抗干扰性，使其可以有效的提高检测效率。系统程序会根据干扰信号的频率特征，确定系统的通频带，并融入到数学模型中去分析，制定出滤波程序的线性离散方程。根据对方程的计算可以明确程序监控的效果，也可以更加真实的反映出检测到的温度变化规律，单片机的技术也可以很好的融入到数字滤波系统中。
2.3 温度显示模块设计
温度显示模块的软件程序设计，要能与LED控制系统进行结合，通过软件程序的功能可以对数据信息进行采集和处理，同时LED灯会把相应的温度变化内容，显示出来。这种技术控制的效果，可以真实、快速的显示出温度变化的情况，同时也可以体现出程序高效的工作效率。单片机技术的应用也可以提高温度控制能力，使其可以在LED灯上，显示出具体的变化过程，显示模块的设计要求技术人员要时刻掌握显示的内容，进而分析电池检测系统的电量转换形式。
2.4 键盘模块设计
在检测时，单片机会通过中断式扫描的方式对键盘输入的信号进行采集，所以在信息数据输入的过程中，技术人员一定要保障数据信息的完整性和真实性，使其可以明确体现出电池温度变化的情况。中断信号作为直接的控制系统，当键盘被按下时，单片机的外部中断信号会产生一个低电平信号，技术人员可以根据低电平信号的类型判断出检测系统的电压和电量，进而使单片机可以进入到中断服务程序中，以便更准确的掌握到检测系统的工作效率。
3 总结
综上所述，单片机技术的不断创新和发展，使电池检测系统的设计与实现成为了可能。本文分别从硬件与软件两方面探讨了一种基于单片机技术的电池检测系统的设计与实现，以期能够为基于单片机的电池检测系统的进一步完善提供参考。
参考文献
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新课程标准对电极电势等概念不做要求，在理论方面降低了知识的难度，因此在教学中只需借助氧化还原理论和金属活动顺序，以及物理学中的电学知识，对有关问题进行定性介绍和分析。
二、教材分析
《化学反应原理》第一章着重研究了化学反应与能量的关系，而第四章电化学基础着重研究化学反应与电能的关系，二者都属于热力学研究范畴。原电池作为电化学的基础，利用其原理可制成多种电池，另一个重要意义是从本质上弄清金属的腐蚀，找到金属防护的方法。
三、教学重点和教学难点
重点：进一步了解原电池的工作原理，能够写出电极反应方程式和电池反应方程式
难点：原电池的工作原理。
四、三维目标
知识与技能目标：进一步了解原电池的工作原理，写出电极反应方程式。
过程与方法目标：（1）通过原电池实验的观察和分析，体会化学反应原理的形成过程；（2）通过原电池实验的探究，掌握解决问题的方法。
情感态度与价值观目标：（1）通过学习原电池联系社会、生活与实践，提高学生的学习兴趣；（2）通过课堂探究活动，培养学生的探究能力，以及与人合作、交流的能力。
五、教学内容的处理
在处理教学内容时，把教学内容分为以下几个步骤：（1）在必修2“化学能与电能”的基础上进一步介绍原电池的组成和原理；（2）学生讨论且设计实验方案；（3）学生讨论并归纳总结出原电池中盐桥的重要性及其作用。
思路：引入新课（实验引入）、学生讨论分析、实验演示、多媒体演示分析、归纳总结、反馈检测、课堂小结。
六、教学方法和教学手段的选择
教学方法：实验探究式教学法。
教学策略：采用学生“自主—合作—探究”的学习模式。
教学手段：利用多媒体辅助教学，如演示原电池盐桥中离子的移动方向，使学生更直观地掌握化学原理。
七、学法指导
合作探究法、教师直接演示法、多媒体演示法。
八、教学过程分析
（一）复习
1.请大家回忆，原电池是怎样进行能量转化的？
2.原电池的形成是有条件的，大家还记得是什么条件？
（二）练习
请根据这幅图片，解释外电路电子流向、溶液中离子流向，写出该原电池的电极反应式和电池反应方程式。
（三）学生动手练习
1.探究问题：探究锌—铜—硫酸铜溶液原电池。
（1）总的离子反应方程式
Zn电极是 极，其电极反应为 ，该反应是 反应（填氧化反应或还原反应）；
Cu电极是 极，其电极反应为 ，该反应是 反应（填氧化反应或还原反应）。
（2）若电流计接入，预测该原电池反应现象是什么？
（3）请同学们动手进行上述实验，观察现象，并解释原因（请注意导线的正负极连接以及小组合作：实验员、观察员、记录员、官方发言人）。
2.学生活动
（1）实施方案。
（2）描述实验现象：（都有电流，但不稳定；两个电极上都有红色物质生成）随着实验时间的延续，电流表指针偏转的角度逐渐减小，最终没有电流通过，同时锌片表面逐渐被铜覆盖。
分析（学生或老师引导学生进行）：由于锌片与硫酸铜溶液直接接触，在反应一段时间后，不可避免溶液中的铜离子在锌片表面直接还原，一旦有少量的铜在锌片表面析出，就在锌表面构成了原电池，进一步加速铜在锌表面析出，致使向外输出的电流强度减弱（浓度降低也能使电流强度减弱）。
假设问题：这样的原电池能不能用来做电源？
过渡：如何才能使我们刚才设计的原电池产生持续稳定的电流呢？
提示：从不稳定因素着手（铜离子与锌片接触），作为原电池，其功能就是将化学能转换为电能，上述实验中在负极上的变化趋势影响了供电效率，是否可以设法阻止溶液中的铜离子在负极锌片上被还原？
（留给学生足够的时间让他们小组之间讨论，找到问题的原因。）
（3）交流原因，找到改进设想：将铜离子与锌分开。
提示根据原电池的形成条件：小组之间交流，选择合理的方案：
①若是导线，形成原电池时，在两极形成电荷堆积，导线上也会出现电子堆积，电阻致使电子不能畅通定向移动，无法形成持续稳定地电流；
②若是电解质溶液，外电路的电子定向移动，内电路离子也定向移动，构成一个内外循环的通路，就可以得到持续稳定的电流。
（4）论证实验可行性。
（5）实验，描述现象。
（6）写出两个半电池反应的电极方程式及总方程式：
（7）尝试让学生解释盐桥的作用（盐桥：充满饱和KCl溶液的琼脂）：
①使整个装置构成闭合回路，避免两溶液直接接触；
②平衡电荷。
关键词：单晶硅太阳电池；电池片；硅片；光电转换效率；电性能参数
中图分类号：TM914 文献标识码：A 文章编号：1009-2374（2014）25-0083-03
石油、煤炭等传统能源属不可再生能源，随着开发量的日益增大，储量逐渐下降，导致燃料价格上升，能源格局不稳定。此外，传统能源的使用常伴随着大气污染等环境问题。面临日益严峻的能源问题，受地域限制性小、环境友好的太阳能发电无疑成了可持续清洁能源的首选。目前太阳能电池市场中，晶硅太阳能电池占90%以上，而单晶硅太阳能电池片由于光电转换效率高、使用寿命长等优点，在太阳能发电中的使用量日益增多。单晶硅电池片的规格多样化，目前用于光伏电站发电的单晶太阳能电池片主要有125mm×125mm、156mm×156mm两种大类规格，本文在产业化生产线中分别对这两种规格的电池片做了对比试验，重点研究了单晶硅电池片的面积对电池电性能的影响。
1 试验过程
1.1 硅片选择
同一硅片厂家、同种方法（西门子法）制造的同等质量单晶硅片，分别选取规格为S125Φ165mm和S156Φ200mm（后面简称S125和S156）的硅片各5500片。
1.2 加工
使用125―156可相互切换的同一柔性生产线，将硅片加工成电池片。工艺流程为：清洗制绒酸洗扩散刻蚀（干法）去磷硅玻璃镀减反射膜（PECVD）丝网印刷烧结测试分选。
1.3 分析样本选取
加工完毕，在两批测试分选数据中去除异常数据后，按转换效率由高至低分别选取5000片的数据作为分析样本。
2 结果与讨论
衡量太阳能电池片发电性能的主要指标是光电转换效率Eff，而影响电池片的转换效率的主要电性能参数有：开路电压Voc、短路电流Isc和填充因子F.F，此外，串联电阻Rs和并联电阻Rsh对转换效率也有很大影响。由于并联电阻Rsh是一个虚拟电阻，指由p-n结的不完整性而造成p-n结的中间部分或边缘有泄漏电流产生，相当于一个泄漏电阻并联在电池的两极之间，在此将不做具体研究。表1是两种规格电池片各5000片数据电性能参数的平均值及其对比分析。
2.1 面积对短路电流和开路电压的影响
表1中S156电池片比S125电池片的Isc高3.17A，差值比例较大，为54.86%，可见电池片面积对短路电流有较大的影响；而S156电池片的Voc与S125的仅相差0.001V，差值比例为0.19%，在工艺波动的范围内。
太阳能电池的等效电路图如图1所示：
图1 太阳能电池等效电路图
当外接负载被短路，即RL=0时，V=0，流经二极管的暗电流ID可忽略不计，此时的电流I为短路电流Isc。
Iph=Ish+Isc=> （1）
由此可知，当光生电流Iph一定时，Isc的大小与串联电阻Rs和并联电阻Rsh有关。
当Rsh>Rs时，，即 （2）
其中，Jph为光生电流密度，At为包括栅线图形在内的电池片的总面积。
由式（2）可知，Isc与电池片面积有直接的关系，且随电池片面积的增大而增大。
有研究表明，当外接电路断开，即RL+∞，I=0时，电压V为开路电压Voc。
（3）
其中Io、Jo分别为二极管反向饱和电流及其电流密度，由此可见，电池片的开路电压Voc与电池片的面积无关。由此可见，理论与实际结果统一，面积对开路电压基本没有影响。
2.2 面积对串联电阻的影响
表1中显示，S156电池片的Rs为2.51mΩ，S125电池片的Rs为4.89mΩ，其差值比例为48.8%，此数据表明，Rs受面积的影响很大。图2是5000片S156电池片（横轴0～5000）和5000片S125电池片（横轴5000～10000）的Rs散点对比图，图中可以明显看出，S156电池片的Rs值显著低于S125电池片的Rs值，且这两种电池片的Rs值分布都比较集中。
图2 156与125电池片的Rs对比图
串联电阻Rs主要由基层电阻Rb、总线电阻Rbus、栅线电阻Rf、前接触层电阻Rfc、扩散层电阻REmitter、背接触电阻Rbc六个部分组成，即：其中，L为电池片的边长，w为宽度，h为厚度，s为栅线间隔，n为栅线数，Re为扩散层电阻，Rfrontpaste为前接触电阻率，Rbackpaste为背接触电阻率。
电池片的栅线一般是由导电性能优良、电阻率极低的金属银制成，故此，总线电阻在串联电阻Rs的总值中所占的比例是极小的。因此从式（4）中可以得出，电池片的面积（约为L2）对串联电阻有很大的影响，且串联电阻随面积的增大而减小。
2.3 面积对填充因子的影响
表1显示，S156电池片比S125电池片的填充因子F.F稍高，差值比例为0.99%。填充因子的差异，很大程度上是因为受到串联电阻的影响。
图3 F.F随Rs增大的变化图
图3是F.F随Rs增大的变化趋势图，其中X轴0～5000和5000～10000分别为5000片S156和S125电池片，每个规格的电池片均按Rs数值由小到大的顺序排列，以观察对应的F.F值的变化趋势。图4中显示，S156和S125电池片的F.F数值均随Rs的增大而减小，且S156电池片的填充因子数值较S125的整体偏高，这与S156电池片的串联电阻值较S125的整体偏低相对应。因此电池片面积大小对串联电阻的影响，间接影响了填充因子，且较大的电池片面积有利于填充因子的提高。
2.4 面积对光电转换效率的影响
从表1可知S156电池片的Eff值比S125电池片的Eff值高出0.28%。相应地，在Eff对比散点图图4中（横轴0～5000和5000～10000分别表示S156和S125电池片，各5000片），S156较S125电池片的Eff值整体偏高。
图4 156与125电池片的Eff对比图
光电转换效率的计算公式如下：
（5）其中Pin为单位面积入射光功率，故此：
（6）由此可见，Eff与电池片的面积并无直接关系，但是直接影响Eff的电性能参数，尤其是填充因子F.F受面积的影响，较大面积的电池片，其填充因子较大，光电转换效率也随之增加。
3 结语
晶硅太阳能电池制造是光伏产业链中最重要的环节，不断提高电池片的光电转换效率，最大限度降低单位瓦数的生产成本，是太阳能电池片制造行业一直追求的目标。增大电池片的面积，不仅有利于提高光电转换效率和产业化生产中单位时间内的产能，而且可以减少单位瓦数电池片制造的原辅材料消耗，降低生产成本。此外，大面积电池片的使用，对于硅片生产和电池片组件生产过程中的产能提高和原辅材料节约也具有重要意义。目前已有硅片厂家适应市场需求，推出S156Φ210mm规格的单晶硅电池片。因此，随着硅片制造技术和晶硅太阳能电池制造技术的发展，电池片尺寸将不断向增大的方向发展。
参考文献
[1] 秦玲.太阳能电池基本参数的影响因素分析与研究[J].价值工程，2012，（32）.
[2] 王军，王鹤，杨宏，等.太阳电池串联电阻的一种精确算法[J].电源技术，2008，32（10）.
从1958年中国开始研制第一片晶体硅光伏电池以来，到现在已走过半个多世纪。光伏专家、上海交通大学太阳能研究所所长崔容强告诉编辑：“中国的太阳能电池也经历了从无到有、从空间到地面、由军到民、由小到大、由单品种到多品种以及光电转换效率由低到高的艰难而辉煌的历程。” 据统计，从2002年至今，中国太阳能电池产量猛增了77倍。2008年，我国太阳能电池产量约占世界总产量的三分之一，连续两年成为世界第一大太阳能电池生产国。 1839年法国物理学家贝克勒尔首次发现光伏效应；1954年美国贝尔实验室制成第一个单晶硅太阳能电池；1983年美国在加州建立了当时世界上最大的太阳能电厂……人类从来未曾停止过追逐太阳的步伐。 1969年研制完成硅太阳能电池组 1958，我国研制出了首块硅单晶 中科院院士、中科院半导体研究所研究员王占国对编辑说：“美国1957年左右拉出了首块硅单晶，我国1958年也研制出了首块硅单晶，随后，中科院物理新成立的半导体研究室正式开始研发太阳能电池。” 最初，研发出的电池主要用于空间领域。从1958年到1965年间，半导体所研制出的PN结电池效率突飞猛进，10×20mm电池效率稳定在15%，同国际水平相差不大。 1968年至1969年底，半导体所承担了为“实践1号卫星”研制和生产硅太阳能电池板的任务。在研究中，研究人员发现，P+/N硅单片太阳电池在空间中运行时会遭遇电子辐射，造成电池衰减，使电池无法长时间在空间运行。 于是，包括王占国在内的6人小组开始进行人造卫星用硅太阳电池辐照效应研究，实验过程中，由于技术不成熟、设备落后，致使王占国的右手严重电子灼伤，从此他一直饱受痛苦，直到1978年夏天进行植皮手术才有所缓解。编辑注意到，王占国院士右手手背上有一些黑色的褶皱，这正是老一辈科学家殚精竭虑献身科学的印记。 经过刻苦攻关，实验结果给研究人员带来巨大惊喜。王占国院士介绍，NP结硅太阳电池抗电子辐照的能力比PN结硅电池大几十倍！随后，半导体所做出了将硅PN电池改为NP定型投产的决定，生产出了5690片NP结硅太阳电池，其中达到空间应用要求的成品3350片，圆满完成了“实践1号”卫星用太阳能电池板的研制、生产任务。1971年实践1号发射升空，在8年的寿命期内，太阳电池功率衰降不到15%，该项目在1978年全国科学大会上获重大成果奖。 1969年，半导体所停止了硅太阳电池研发，随后，天津18所为东方红二号、三号、四号系列地球同步轨道卫星研制生产太阳电池阵。 王占国院士说：“70年代末，我国与国际同期开展了砷化镓太阳能电池研究，该电池具有很高的光发射和光吸收系数，1999年，2×2cm2电池的转换效率达22％。” 1975年宁波、开封先后成立太阳电池厂，电池制造工艺模仿早期生产空间电池的工艺，太阳能电池的应用开始从空间降落到地面。 1998，我国太阳能产业有了第一个“吃螃蟹”的人 上世纪80年代开始，我国太阳能电池开始进入萌芽期，研发工作在各地次第展开，但进展缓慢。 崔容强介绍说，1986年国家计委在农村能源“1986—1990年第七个五年计划”中列出了《太阳电池》专题，全国有6所大学和6个研究所开始进行晶体硅电池等的研究。 20世纪80年代末期，国内先后引进了多条太阳能电池生产线，包括云南半导体厂从加拿大引进的1MW（兆瓦）生产线等，使中国太阳能电池的生产能力由原来的几百KW（千瓦）一下子提升到4.5MW，这种产能一直持续到2002年，产量则只有2MW左右。 “90年代中末期为我国太阳电池稳步发展期，经过引进、消化、吸收和再创新，太阳电池生产技术和工艺得到稳定发展和提高，生产量稳步增长，基本满足了国内市场的需要并有极少量的出口。”崔容强说。
关键词：电动汽车；新能源； BMS电池管理系统；电池状态监测
中图分类号：TP399 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2016）33-0234-02
Abstract：In recent years， China has a large area of fog and haze， the majority of the people suffer.Fog and haze caused by one of the main reasons is the automobile exhaust， tail gas to the city air PM2.5 higher.At present， energy-saving emission reduction has become the first goal of national air pollution control and the people's earnest pared with the traditional fuel vehicles， new energy vehicles can greatly reduce emissions， a new direction of energy conservation and environmental protection in the transport sector.A complete battery management system to achieve the battery status monitoring， information exchange， security protection， to ensure that electric vehicles running the process of energy security， reasonable and efficient.
Key words： New Energy； Electric Vehicle； BMS； Power Battery Management； Battery Condition Monitoring
新能源汽车时代即将来临，新能源汽车关键技术的研发一直以来都是汽车行业发展的热点问题。其中，电池管理系统（Battery Management System， BMS）可称其为关键技术。新能源汽车的能量大多来自动力电池，对其安全、有效的管理是其中的核心技术之一。
1 电池管理系统主要功能
电动汽车 BMS 主要包含以下几个功能，如图1所示。
1）电池信息采集功能：采集各电池组工作电压、环境温度、充放电电流等信息，借助采集板总线传递给主控芯片；
2）剩余量估算SOC功能：采集板采集到的电池信息由主控芯片依据一定算法完成对动力电池组剩余电量（State of Charge， SOC）的估算，为驾驶者提供安全保护和续驶里程参考；
3）电气控制管理功能：电动汽车的电池组在充放电过程中，动力电池组很可能会发生过充、电池间电量不均衡、过放等问题，大大影响到电池组的使用寿命、工作效率及将来的安全问题。即使问题发生，电池管理组系统能迅速做出反应，有效执行预定安全措施，如切断充放电回路等，从而保证电池组的正常、安全使用。对于不同电池间电量不一致的问题，在排除电池固有差异外，可以通过搭建均衡电路配合控制算法来实现各单体电池之间的均衡。
4）电池安全保护功能：电动汽车电池组安全管理主要负责监控电池在工作过程中是否出现工作异常。一旦发现问题系统应能及时做出应急响应，保证电动汽车电池组的正常运行，防止发生爆炸等危险；
5）数据通信显示功能：电池管理系统收集到的电池信息首先被送往电池管理系统BMS 主控芯片进行SOC电量估算与均衡控制等处理，再将结果通过 CAN 总线发送给其他设备使用。同时，电池管理系统BMS 通过串口通信将信息显示在上位机，方便驾驶员及维修人员对车辆信息有清晰的掌握和判断。
2 电池管理系统的总体设计方案
电池管理系统BMS 两项关键技术―SOC电池组剩余电量估算算法与均衡控制技术。针对其软硬件系统进行具体设计，电池管理系统BMS硬件结构如图2所示。
电池管理系统分为以下几个部分：控制主板、电池信息采集板、电池组、均衡板等。其中，控制主板用来完成对总电压、总电流的采集工作，SOC电池组剩余电量估算算法的运行，均衡策略的执行以及设备间的通信等功能；采集板搭载专用电池监控芯片，可实现 12 路单体电池电压的数据采集和2路温度采集，芯片之间支持 SPI（Serial Peripheral Interface）通信，从而具备了级联功能；电池包的设计参考电动汽车实际运行需求和电池参数，先由2-3节单体电池并联成电池组，再由若干电池组串联形成电池包，均衡板是实现电池间能量迁移的物理通道。
主控制板根据实际需求，设计中包含了以下几种硬件资源：
1）以 TMS320F2812 为核心的最小系统；2）2路 5V/5W隔离宽输入供电电路、1路±12V/5W隔离宽输入供电电路、1路3.3V/500mA 非隔离供电电路、2路5V/1W隔离供电电路；3）7路AD采集电路，包括2路大电流（0～500A）检测，1路高电压（0～500V）监测，4路模拟量（0～3300mV）检测；4）8路IO隔离输出电路，选通128路温度监测；5）2路继电器控制电路；6）带隔离的 CAN 总线通讯电路；7）SPI通信电路。
3 电池管理系统的硬件设计
1）控制主板硬件电路设计
电池管理系统控制主板集成了数字信号处理DSP 最小系统、电源供电电路、AD 采集电路、IO 输出电路以及 CAN 通信电路、SPI 通信电路等。
2） DSP 最小系统
主控芯片是 32 位定点高速数字处理器，工作频率可达 150MHz，具有 128K*16 位 FLASH，18K*16 位 SRAM，5K*16 位 ROOM，其强大的运算能力和大容量的存储空间能够满足电池管理系统的各项需求，最小系统电路图如 2 所示。
4 电池管理系统的软件设计
1）BMS 软件部分
BMS 软件部分设计主要包含以下九大子程序：
① 电池管理系统BMS主程序；②系统初始化子程序；③电池总电压和总电流采集子程序；④单体电池电压采集子程序；⑤均衡控制子程序；⑥电池充电管理子程序；⑦ 电池剩余电量SOC 估算子程序；⑧电池安全监控子程序；⑨数据存取子程序。
设计定位于电池管理系统关键技术，因此软件设计部分主要涉及电池管理系统主程序。
2）电池管理系统主程序
纯电动汽车 BMS 主程序流程图如图4所示。
5 小结
本文介绍了 BMS 软硬件部分的设计，包括电路和程序流程等。首先对主控制板进行了最小系统、电源模块、AD 采集、IO 隔离输出以及多种通信单元设计；其次对采集板进行了电池电压采集、SPI 通信等单元的设计；最后给出了电池管理系统主程序及各子程序流程图，为代码的具体实现提供参考。
参考文献：
[1]简俊鹏.纯电动汽车锂电池管理系统研究与设计[D].江西理工大学，2015.
[2]孙豪赛.纯电动汽车电池管理系统关键技术研究与设计[D].天津理工大学，2015.
