基于ＡＶＲ的太陽能控制器設(shè)計(jì)

閉金杰　羅曉曙　楊日星　張　露

摘 要:為了控制太陽能發(fā)電系統(tǒng)中蓄電池的最優(yōu)充放電,利用低功耗高性能的RISC單片機(jī)AVR作為控制電路的核心,設(shè)計(jì)一種可靠性高,性能好的太陽能智能控制器,并對(duì)控制器的控制原理進(jìn)行詳細(xì)分析。測(cè)試結(jié)果表明,該控制器能正確監(jiān)控和測(cè)量蓄電池的狀態(tài),充放電效果好,性能可靠,能減少充電損耗,延長(zhǎng)蓄電池的使用壽命。

關(guān)鍵詞:太陽能電池;PWM;控制器;AVR

中圖分類號(hào):TP274文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:B

文章編號(hào):1004-373X(2009)10-167-03

Design of Solar Energy Controller Based on AVR

BI Jinjie,LUO Xiaoshu,YANG Rixing,ZHANG Lu

(College of Physics and Electronic Engineering,Guangxi Normal University,Guilin,541004,China)

Abstract:In order to control the optimal charge and discharge of battery in solar power system,a set of circuit of high reliability and intelligent solar energy controller are designed using RISC microcontroller of AVR,and principle of the controller is analyzed.The experiment results show that the controller is able to detect the state of storage battery,it has good effect and high capability,it also can reduce the charged wastage,and prolong the service life of battery.

Keywords:solar battery;PWM;regulator;AVR

隨著能源危機(jī)和環(huán)境污染的加深,太陽能的研究和利用受到廣泛的關(guān)注。太陽能是人類取之不盡用之不竭的可再生能源,也是清潔能源,不產(chǎn)生任何的環(huán)境污染,在太陽能的有效利用中,太陽能充電是近些年發(fā)展最快,最具活力的研究領(lǐng)域,是其中最受矚目的項(xiàng)目之一。太陽能電池發(fā)電是基于 “光生伏打效應(yīng)”原理,將太陽能轉(zhuǎn)化為電能,利用充電效應(yīng)將太陽輻射直接轉(zhuǎn)化為電能。它具有永久性、清潔性和靈活性大的優(yōu)點(diǎn),是其他能源無法比擬的。

1 太陽能控制器的設(shè)計(jì)

1.1 太陽能電池的輸出特性

由它的輸出特性曲線(見圖1)可知,太陽能電池的伏安特性具有很強(qiáng)的非線性,即當(dāng)日照強(qiáng)度改變時(shí),其開路電壓不會(huì)有太大的改變,但所產(chǎn)生的最大電流會(huì)有相當(dāng)大的變化,所以其輸出功率與最大功率點(diǎn)會(huì)隨之改變。然而當(dāng)光強(qiáng)度一定時(shí),電池板輸出的電流一定,可以認(rèn)為是恒流源。因此,必須研究和設(shè)計(jì)性能優(yōu)良的太陽能發(fā)電控制器,才能更有效地利用太陽能[1]。

1.2 系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)

太陽能控制器硬件結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。該控制器以AVR mega 32為控制核心,外圍電路主要由蓄電池電壓及環(huán)境溫度檢測(cè)與充放電控制電路、電池板電壓檢測(cè)與分組切換電路、負(fù)載電流檢測(cè)與輸出控制電路、狀態(tài)顯示電路、串口數(shù)據(jù)上傳和鍵盤輸入電路構(gòu)成。

電壓檢測(cè)電路用于識(shí)別光照的強(qiáng)度和獲取蓄電池端電壓。溫度檢測(cè)電路用于蓄電池充電溫度補(bǔ)償。該系統(tǒng)采用PWM方式驅(qū)動(dòng)充電電路,控制蓄電池的最優(yōu)充放電。電池板分組切換控制電路用于不同光強(qiáng)度和充電模式下電池板的切換,該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對(duì)3組電池板陣列控制。負(fù)載電流檢測(cè)電路用于過流保護(hù)及負(fù)載功率檢測(cè)。狀態(tài)顯示電路用于系統(tǒng)狀態(tài)的顯示,包括電壓、負(fù)載狀況及充放電狀態(tài)的顯示。串行口上傳數(shù)據(jù)電路用于系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)的上傳,實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控。鍵盤輸入電路用于充電模式設(shè)定及LCD背光開啟。該控制器在有陽光時(shí)接通電池板,向蓄電池充電;當(dāng)夜晚或陰天陽光不足時(shí),蓄電池放電,以保證負(fù)載不停電。

1.3 AVR單片機(jī)

AVR微處理器是Atmel公司的8位嵌入式RISC處理器,具有高性能、高保密性、低功耗等優(yōu)點(diǎn)。程序存儲(chǔ)器和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器可獨(dú)立訪問的哈佛結(jié)構(gòu),代碼執(zhí)行效率高。系統(tǒng)采用的mega 32處理器包含有32 KB片內(nèi)可編程FLASH程序存儲(chǔ)器;1 KB的E2PROM和2 KB RAM;同時(shí)片內(nèi)集成了看門狗;8路10位ADC;3路可編程PWM 輸出;具有在線系統(tǒng)編程功能,片內(nèi)資源豐富,集成度高,使用方便。AVR mega 32可以很方便地實(shí)現(xiàn)外部輸入?yún)?shù)的設(shè)置,蓄電池及負(fù)載的管理,工作狀態(tài)的指示等。

1.4 蓄電池的充放電控制

閥控密封鉛酸蓄電池具有蓄能大,安全和密封性能好,壽命長(zhǎng),免維護(hù)等優(yōu)點(diǎn),在光伏系統(tǒng)中被大量使用。由閥控密封鉛酸蓄電池充放電特性圖(見圖3)可知,蓄電池充電過程有3個(gè)階段:初期(OA)電壓快速上升;中期(ABC)電壓緩慢上升,延續(xù)時(shí)間較長(zhǎng);C點(diǎn)開始為充電末期,電壓開始上升;接近D點(diǎn)時(shí),蓄電池中的水被電解,應(yīng)立即停止充電,防止損毀電池。所以對(duì)蓄電池充電,通常采用的方法是在初期、中期快速充電,恢復(fù)蓄電池的容量;在充電末期采用小電流長(zhǎng)期補(bǔ)充電池因自放電而損失的電量。

蓄電池放電過程主要有三個(gè)階段:開始(OE)階段電壓下降較快;中期(EFG)電壓緩慢下降且延續(xù)較長(zhǎng)的時(shí)間;在最后階段G點(diǎn)后,放電電壓急劇下降,應(yīng)立即停止放電,否則將會(huì)給蓄電池照成不可逆轉(zhuǎn)的損壞。因此,如果對(duì)閥控密封鉛酸蓄電池充放電控制方法不合理,不僅充電效率降低,蓄電池的壽命也會(huì)大幅縮短,造成系統(tǒng)運(yùn)行成本增加。在蓄電池的充放電過程中,除了設(shè)置合適的充放電閾值外,還需要對(duì)充放電閾值進(jìn)行適當(dāng)?shù)臏囟妊a(bǔ)償,并進(jìn)行必要的過充電和過放電保護(hù)[2]。

根據(jù)閥控密封鉛酸蓄電池的特點(diǎn),控制器利用MCU的PWM功能對(duì)蓄電池進(jìn)行充電管理。若太陽能電池正常充電時(shí)蓄電池開路,控制器將關(guān)斷負(fù)載,以保證負(fù)載不被損傷;若在夜間或太陽能電池不充電時(shí)蓄電池開路,由于自身控制器得不到電力,不會(huì)有任何動(dòng)作。當(dāng)充電電壓高于保護(hù)電壓(15 V)時(shí),自動(dòng)關(guān)斷對(duì)蓄電池的充電;此后當(dāng)電壓掉至維護(hù)電壓(13.2 V)時(shí),蓄電池進(jìn)入浮充狀態(tài),當(dāng)?shù)陀诰S護(hù)電壓(13.2 V)后,浮充關(guān)閉,進(jìn)入均充狀態(tài)。當(dāng)蓄電池電壓低于保護(hù)電壓(10.8 V)時(shí),控制器自動(dòng)關(guān)閉負(fù)載,以保護(hù)蓄電池不受損壞。若出現(xiàn)過放,應(yīng)先進(jìn)行提升充電,使蓄電池的電壓恢復(fù)到提升電壓后再保持一定時(shí)間,防止蓄電池出現(xiàn)硫化。通過PWM控制充電電路(智能三階段充電),可使太陽能電池板發(fā)揮最大功效,提高系統(tǒng)充電效率。

1.5 溫度補(bǔ)償

采用數(shù)字溫度傳感器DS18B20檢測(cè)蓄電池環(huán)境溫度。對(duì)蓄電池的充電閾值電壓溫度補(bǔ)償系數(shù)取-4 mV/(℃?單體)。補(bǔ)償后的電壓閾值可以用以下公式表示:Ve=V+(t-25)αn。其中,Ve為補(bǔ)償后的電壓閾值;V為25 ℃下的電壓閾值;t為蓄電池環(huán)境溫度;α為溫度補(bǔ)償系數(shù);n為串聯(lián)的單體數(shù)。控制器對(duì)過放電壓閾值不做補(bǔ)償。

1.6 MOSFET驅(qū)動(dòng)電路

設(shè)計(jì)的控制器屬于串聯(lián)型,即控制充電的開關(guān)是串聯(lián)在電池板與蓄電池之間的。串聯(lián)型控制器相對(duì)于并聯(lián)型控制器能夠更有效地利用太陽能,減少系統(tǒng)的發(fā)熱量。設(shè)計(jì)中用MOSFET實(shí)現(xiàn)開關(guān)。MOSFET是電壓控制單極性金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管,所需驅(qū)動(dòng)功率較小。而且MOSFET只有多數(shù)載流子參與導(dǎo)電,不存在少數(shù)載流子的復(fù)合時(shí)間,因而開關(guān)頻率可以很高,特別適合作為PWM控制充電開關(guān)。為此,設(shè)計(jì)中采用P溝道MOSFET。P溝道MOSFET的導(dǎo)通電壓V_th<0,由圖4可以實(shí)現(xiàn)MOSFET的驅(qū)動(dòng)。當(dāng)Q₂導(dǎo)通時(shí),由于Q₂的Vce很小,可以認(rèn)為Q₁的G極接地,V_gs<0,當(dāng)Vin達(dá)到一定值時(shí),Q₁導(dǎo)通。

1.7 鍵盤電路

采用單按鍵的輸入方式,用于開液晶背光和設(shè)定充電模式。初始化時(shí)將PC7輸出高電平,在程序運(yùn)行過程中,通過定時(shí)中斷檢測(cè)是否有按鍵按下。當(dāng)有按鍵按下時(shí)間不超過10 s時(shí),則打開液晶背光,10 s后背光關(guān)閉。當(dāng)有按鍵按下時(shí)間超過10s時(shí),進(jìn)入模式設(shè)定。在設(shè)定模式下,每按一次模式加1,按下按鍵10 s后或者10 s按鍵無任何動(dòng)作,模式保存到E2PROM中,退出設(shè)定模式。

1.8 狀態(tài)顯示和告警電路

控制器用LCD1602液晶顯示系統(tǒng)的狀態(tài)信息,包括蓄電池電壓、負(fù)載功率等。LCD1602采用7線驅(qū)動(dòng)法,Vo接1 kΩ電阻到地,用于調(diào)節(jié)液晶顯示對(duì)比度。顯示數(shù)據(jù)和指令通過LCD1602的DB4~DB7寫入,同時(shí)具備有聲光告警功能。當(dāng)出現(xiàn)過壓或過放時(shí),相應(yīng)的發(fā)光二極管閃爍以及蜂鳴器告警,同時(shí)相應(yīng)告警繼電器接通。

1.9 數(shù)據(jù)上傳

控制器用RS 232串行口將系統(tǒng)電壓、溫度、充放電狀態(tài)以及負(fù)載情況數(shù)據(jù)上傳,實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控。

2 控制器的軟件流程圖

主程序主要完成對(duì)I/O、定時(shí)器和PWM的初始化,同時(shí)根據(jù)電池板和蓄電池的狀態(tài)調(diào)用相應(yīng)的充放電子程序?？刂破鲄?shù)的測(cè)量主要由中斷服務(wù)程序完成。圖5是控制器主程序流程圖。

3 結(jié) 語

在此設(shè)計(jì)的太陽能控制器性能穩(wěn)定,具有過充過放保護(hù)和溫度補(bǔ)償。經(jīng)過測(cè)試,系統(tǒng)顯示出良好的控制效果,不僅提高了太陽電池的工作效率,同時(shí)也保護(hù)了所使用的蓄電池,在利用綠色能源方面,具有一定的社會(huì)效益和廣泛的推廣價(jià)值。

參考文獻(xiàn)

[1]王長(zhǎng)貴,王斯成.太陽能光伏發(fā)電實(shí)用技術(shù)[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2005.

[2]王斯成,陳子平,楊軍,等.蓄電池剩余容量(SoC)數(shù)學(xué)模型探討和在線測(cè)試儀的開發(fā)[J].太陽能學(xué)報(bào),2005,26(1):6-13.

[3]朱虹,劉延章,王建.基于太陽能發(fā)電的LED照明控制技術(shù)[J].工業(yè)儀表與自動(dòng)化裝置,2008(1):82-84.

[4]吳樹誼,成美芬.太陽能無極燈的原理與研制[J].中國照明電器,2008(2):21-25.

[5]沈輝,曾祖勤.太陽能光伏發(fā)電技術(shù)[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2004.

[6]劉寶忠,劉培德.PWM技術(shù)在單片機(jī)控制智能充電器中的應(yīng)用[J].今日電子,2005(12):76-77.

[7]楊金煥,黃曉稽,陸鈞.一種獨(dú)立光伏系統(tǒng)設(shè)計(jì)的新方法[J].太陽能學(xué)報(bào),1995,16(4):407-414.

[8]吳理博,趙爭(zhēng)鳴,劉建政.用于太陽能照明系統(tǒng)的智能控制器[J].清華大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版,2003,43(9):1 195-1 198.

[9]楊成銀,黃志輝,邱望標(biāo).太陽能LED照明系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].電氣時(shí)代,2008(1):76-78.

[10]余發(fā)平.基于自適應(yīng)PI控制的太陽能LED照明系統(tǒng)PWM恒流控制器[J].太陽能學(xué)報(bào),2006,27(2):132-135.

[11]張鵬,王興君,王松林.小功率智能型太陽能控制器的設(shè)計(jì).現(xiàn)代電子技術(shù),2007,30(18):60-62.