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摘要：为了建立适用于人才发展需要的新的实验教学模式，形成完善的实验教学体系，提高实验教学的效率和质量，建立了基于虚拟仿真技术的铅酸蓄电池充电特性实验平台。实验依据铅酸蓄电池的数学模型和初始参数设定，根据设定的初始荷电状态、环境温度、时间倍速和充电电流估算蓄电池的充电和极化状态，在2课时内完成整个实验过程。基于虚拟仿真技术的铅酸蓄电池充电特性实验克服实际充电实验周期较长的弊端，帮助学生了解铅酸蓄电池在光伏系统中的作用、理解铅酸蓄电池充电过程的电化学反应和参数变化规律，掌握铅酸蓄电池的充电特性。
关键词：虚拟仿真技术;铅酸蓄电池;充电特性
中图分类号：G642.0文献标识码：A
太阳能光伏发电原理与应用实验课程是电子电气类、新能源科学与工程专业学生的一门重要的专业实践课。通过实验使学生进一步加强对理论知识的理解，深入理解光伏电池的输出特性、照度特性和常用控制机构的结构与控制原理。传统的实验教学内容包括太阳能光伏电池的伏安特性测试、光照电流电压特性测试、太阳能光伏电池板跟踪控制和局部遮挡输出特性测试等。而在光伏发电系统产生的电能需要蓄电池进行储存和调节，以提供持续稳定的电能供应。蓄电池的正确充电是光伏发电系统运行和管理中至关重要的问题。[1]传统试验中因为蓄电池充电实验周期较长，实验设备成本等原因没有设置蓄电池充电特性实验，为了建立适用于人才发展需要的新的实验教学模式，形成完善的实验教学体系，提高实验教学的效率和质量，建立了基于虚拟仿真技术的铅酸蓄电池充电特性实验平台。
1 铅酸蓄电池充电特性
目前在光伏发电系统中普遍采用铅酸蓄电池组进行储能，铅酸蓄电池的使用寿命和充电管理有着密切关系。[2]铅蓄电池由正极板、负极板、隔板、电槽及电解液（稀硫酸溶液）组成。电极在完成充电后，正极板从硫酸铅转变为二氧化铅，负极板从硫酸铅转变为海绵状铅，且蓄电池的电动势与硫酸溶液的密度线性相关。
铅酸蓄电池充电过程的电化学反应的方程式如下：
充电：PbSO4 + 2H2O + PbSO4 → PbO2+ 2H2SO4 + Pb
铅酸蓄电池的恒流充电特性如图1曲线所示，蓄电池充电过程有3个阶段：初期（OA），电压快速上升;中期（AC），电压缓慢上升，延续较长时间;C点为充电末期，电压开始快速上升，接近D点时，标志着蓄电池已充满电，应停止充电。整个充电实验持续时长约20小时。
依据D点的电压为蓄电池已充满标志这一原理，在充电回路中设置精密电压测量电路，通过对蓄电池端电压值的监测，即可判断蓄电池是否应结束充电。对光伏发电系统所采用的12V免维护阀控密封式铅酸蓄电池，25℃时充电终止电压一般设置为2.35V/单体或14.1V。
2 虚拟仿真平台的系统构架
系统架构如图2所示，客户端通过学校虚拟仿真实验路由或网管访问铅酸蓄电池充电特性实验服务器，获取实验操作界面，登陆后用户设定的数据和操作和服务器之间实时交互存储;铅酸蓄电池充电特性实验服务器提供蓄电池的实验模型，并根据用户设定和实验进程返回数据供客户端显示。
实验的预设参数如下：
（1）铅酸蓄电池：规格12V/1Ah，三档可调;
（2）充电电源：恒流源，三档可调;
（3）环境温度：25℃，操作可调，软件自动计算充电终止电压;
（4）初始荷电状态：充分静止，5%，操作可调;
（5）实验计时器：软件计时器，倍速二档可调。
引入虚拟仿真实验技术，不要求实验用铅酸蓄电池处于深度放电状态，可以突破铅酸蓄电池实际充电电流的限制，因而可以显著加快铅酸蓄电池的充电实进程，获得完整的铅酸蓄电池充电特性曲线;铅酸蓄电池深度放电使用会严重缩短其使用寿命，因此虚拟仿真实验还可以降低实验成本，提升实验教学时的学生参与度和实验成就感。
教学方法采用虚拟仿真实验平台，在一人一机的条件下完成实验教学的内容。
3 实验步骤及考核要求设计
学生在实际实验前应做好充分预习，了解实验原理和操作步骤，通过模拟实验和提问检验预习效果，再通过授课时细节及难点的讲解帮助学生更好的完成实验。
3.1 实验步骤设计
实验人员登陆系统，进入试验后，按以下步骤进行实验：
（1）设定实验用铅酸蓄电池容量、恒流源输出电流值、实验环境温度、系统自动修正充电终止电压值、实验用铅酸蓄电池初始荷电状态、实验计时倍速;
（2）按照原理图图3连接实验导线;
（3）闭合开关K2，记录电压表所测铅酸蓄电池初始电压值;
（4）闭合开关K1，记录电压表所测铅酸蓄电池瞬态初值;
（5）根据软件定时器，每隔10分钟电压表的测量值;
（6）重复步骤5，直至电压表测量值达到充电终止电压值;
（7）记录电压表所测铅酸蓄电池充电终止值;
（8）断开开关1，记录电压表所测铅酸蓄电池瞬态终值;
（9）每隔1分钟记录电压表所测铅酸蓄电池去极化端电压;
（10）重复步骤7，直至电压表测量值的变化量小于1mV;
（11）根据步骤46的时间数据和电压数据，绘制铅酸蓄电池的充电特性曲线;
（12）根据步骤78的时间数据和电压数据，绘制极化电压的时间曲线;
（13）拆除导线，关闭电源，结束实验。
3.2 考核要求设计
（1）撰写实验报告，对实验数据进行曲线拟合，分析曲线变化规律和内因;
（2）分析步骤3和步骤4的数据差值，思考其原因;
（3）分析步骤7和步骤8的数据差值，思考其原因;
（4）若改变铅酸蓄电池的初始容量，思考充电时长的变化和原因;
（5）若改变铅酸蓄电池的充电电流，思考充电时长的变化和原因;
（6）上述思考题可现场讨论。
学生实验成绩评分标准参照以下几点考核：
（1）是否能正确安装客户端虚拟仿真实验软件并运行;
（2）是否预习实验内容，实验任务是否明确;
（3）是否能正确使用软件，独立、正确的完成实验操作;
（4）实验报告是否内容完整、叙述严谨、版面布局合理整洁、数据处理过程完整正确、实验结论是否正确;
（5）是否能正确回答实验思考題，实验讨论有一定的见解。
4 结语
本虚拟仿真实验项目依托虚拟现实、多媒体、人机交互、数据库和网络通讯等技术，构建高度仿真的虚拟实验环境和实验对象，使得学生可在虚拟环境中开展实验，理念先进。
实验依据铅酸蓄电池的数学模型和初始参数设定，根据设定的初始荷电状态、环境温度、时间倍速和充电电流估算蓄电池的充电和极化状态，在2课时内完成整个实验过程，克服实际充电实验周期较长的弊端，达到《太阳能光伏发电原理与应用》教学大纲所要求的教学效果，帮助学生了解铅酸蓄电池在光伏系统中的作用、理解铅酸蓄电池充电过程的电化学反应和参数变化规律，掌握铅酸蓄电池的充电特性。实验通过逼真的多媒体表现形式，让相对抽象的实验过程浓缩在形象逼真的动画演示中，最大限度地发挥虚拟元器件资源的优势，降低实验准备时间和耗材成本，提高教学效果。
参考文献：
[1]何道清.太阳能光伏发电系统原理与应用技术[M].北京：化学工业出版社，2012.
[2]王永涛.浅析影响航标用铅酸蓄电池使用寿命的主要因素[J].通信电源技术，2015，32（2）：132134.
作者简介：唐影（1989），女，满族，黑龙江双城人，助教，硕士，主要研究领域新能源发电，电力电子技术;张春富（1977），男，副教授，博士，主要研究领域自动化测试与控制。
关键词：虚拟仿真技术;铅酸蓄电池;充电特性
中图分类号：G642.0文献标识码：A
太阳能光伏发电原理与应用实验课程是电子电气类、新能源科学与工程专业学生的一门重要的专业实践课。通过实验使学生进一步加强对理论知识的理解，深入理解光伏电池的输出特性、照度特性和常用控制机构的结构与控制原理。传统的实验教学内容包括太阳能光伏电池的伏安特性测试、光照电流电压特性测试、太阳能光伏电池板跟踪控制和局部遮挡输出特性测试等。而在光伏发电系统产生的电能需要蓄电池进行储存和调节，以提供持续稳定的电能供应。蓄电池的正确充电是光伏发电系统运行和管理中至关重要的问题。[1]传统试验中因为蓄电池充电实验周期较长，实验设备成本等原因没有设置蓄电池充电特性实验，为了建立适用于人才发展需要的新的实验教学模式，形成完善的实验教学体系，提高实验教学的效率和质量，建立了基于虚拟仿真技术的铅酸蓄电池充电特性实验平台。
1 铅酸蓄电池充电特性
目前在光伏发电系统中普遍采用铅酸蓄电池组进行储能，铅酸蓄电池的使用寿命和充电管理有着密切关系。[2]铅蓄电池由正极板、负极板、隔板、电槽及电解液（稀硫酸溶液）组成。电极在完成充电后，正极板从硫酸铅转变为二氧化铅，负极板从硫酸铅转变为海绵状铅，且蓄电池的电动势与硫酸溶液的密度线性相关。
铅酸蓄电池充电过程的电化学反应的方程式如下：
充电：PbSO4 + 2H2O + PbSO4 → PbO2+ 2H2SO4 + Pb
铅酸蓄电池的恒流充电特性如图1曲线所示，蓄电池充电过程有3个阶段：初期（OA），电压快速上升;中期（AC），电压缓慢上升，延续较长时间;C点为充电末期，电压开始快速上升，接近D点时，标志着蓄电池已充满电，应停止充电。整个充电实验持续时长约20小时。
依据D点的电压为蓄电池已充满标志这一原理，在充电回路中设置精密电压测量电路，通过对蓄电池端电压值的监测，即可判断蓄电池是否应结束充电。对光伏发电系统所采用的12V免维护阀控密封式铅酸蓄电池，25℃时充电终止电压一般设置为2.35V/单体或14.1V。
2 虚拟仿真平台的系统构架
系统架构如图2所示，客户端通过学校虚拟仿真实验路由或网管访问铅酸蓄电池充电特性实验服务器，获取实验操作界面，登陆后用户设定的数据和操作和服务器之间实时交互存储;铅酸蓄电池充电特性实验服务器提供蓄电池的实验模型，并根据用户设定和实验进程返回数据供客户端显示。
实验的预设参数如下：
（1）铅酸蓄电池：规格12V/1Ah，三档可调;
（2）充电电源：恒流源，三档可调;
（3）环境温度：25℃，操作可调，软件自动计算充电终止电压;
（4）初始荷电状态：充分静止，5%，操作可调;
（5）实验计时器：软件计时器，倍速二档可调。
引入虚拟仿真实验技术，不要求实验用铅酸蓄电池处于深度放电状态，可以突破铅酸蓄电池实际充电电流的限制，因而可以显著加快铅酸蓄电池的充电实进程，获得完整的铅酸蓄电池充电特性曲线;铅酸蓄电池深度放电使用会严重缩短其使用寿命，因此虚拟仿真实验还可以降低实验成本，提升实验教学时的学生参与度和实验成就感。
教学方法采用虚拟仿真实验平台，在一人一机的条件下完成实验教学的内容。
3 实验步骤及考核要求设计
学生在实际实验前应做好充分预习，了解实验原理和操作步骤，通过模拟实验和提问检验预习效果，再通过授课时细节及难点的讲解帮助学生更好的完成实验。
3.1 实验步骤设计
实验人员登陆系统，进入试验后，按以下步骤进行实验：
（1）设定实验用铅酸蓄电池容量、恒流源输出电流值、实验环境温度、系统自动修正充电终止电压值、实验用铅酸蓄电池初始荷电状态、实验计时倍速;
（2）按照原理图图3连接实验导线;
（3）闭合开关K2，记录电压表所测铅酸蓄电池初始电压值;
（4）闭合开关K1，记录电压表所测铅酸蓄电池瞬态初值;
（5）根据软件定时器，每隔10分钟电压表的测量值;
（6）重复步骤5，直至电压表测量值达到充电终止电压值;
（7）记录电压表所测铅酸蓄电池充电终止值;
（8）断开开关1，记录电压表所测铅酸蓄电池瞬态终值;
（9）每隔1分钟记录电压表所测铅酸蓄电池去极化端电压;
（10）重复步骤7，直至电压表测量值的变化量小于1mV;
（11）根据步骤46的时间数据和电压数据，绘制铅酸蓄电池的充电特性曲线;
（12）根据步骤78的时间数据和电压数据，绘制极化电压的时间曲线;
（13）拆除导线，关闭电源，结束实验。
3.2 考核要求设计
（1）撰写实验报告，对实验数据进行曲线拟合，分析曲线变化规律和内因;
（2）分析步骤3和步骤4的数据差值，思考其原因;
（3）分析步骤7和步骤8的数据差值，思考其原因;
（4）若改变铅酸蓄电池的初始容量，思考充电时长的变化和原因;
（5）若改变铅酸蓄电池的充电电流，思考充电时长的变化和原因;
（6）上述思考题可现场讨论。
学生实验成绩评分标准参照以下几点考核：
（1）是否能正确安装客户端虚拟仿真实验软件并运行;
（2）是否预习实验内容，实验任务是否明确;
（3）是否能正确使用软件，独立、正确的完成实验操作;
（4）实验报告是否内容完整、叙述严谨、版面布局合理整洁、数据处理过程完整正确、实验结论是否正确;
（5）是否能正确回答实验思考題，实验讨论有一定的见解。
4 结语
本虚拟仿真实验项目依托虚拟现实、多媒体、人机交互、数据库和网络通讯等技术，构建高度仿真的虚拟实验环境和实验对象，使得学生可在虚拟环境中开展实验，理念先进。
实验依据铅酸蓄电池的数学模型和初始参数设定，根据设定的初始荷电状态、环境温度、时间倍速和充电电流估算蓄电池的充电和极化状态，在2课时内完成整个实验过程，克服实际充电实验周期较长的弊端，达到《太阳能光伏发电原理与应用》教学大纲所要求的教学效果，帮助学生了解铅酸蓄电池在光伏系统中的作用、理解铅酸蓄电池充电过程的电化学反应和参数变化规律，掌握铅酸蓄电池的充电特性。实验通过逼真的多媒体表现形式，让相对抽象的实验过程浓缩在形象逼真的动画演示中，最大限度地发挥虚拟元器件资源的优势，降低实验准备时间和耗材成本，提高教学效果。
参考文献：
[1]何道清.太阳能光伏发电系统原理与应用技术[M].北京：化学工业出版社，2012.
[2]王永涛.浅析影响航标用铅酸蓄电池使用寿命的主要因素[J].通信电源技术，2015，32（2）：132134.
作者简介：唐影（1989），女，满族，黑龙江双城人，助教，硕士，主要研究领域新能源发电，电力电子技术;张春富（1977），男，副教授，博士，主要研究领域自动化测试与控制。