太陽能發(fā)電系統(tǒng)中蓄電池充電控制器的設計

張佳民，翟成強，洪軒，廖盼盼

(上海電力學院自動化工程學院，上海200090)

太陽能發(fā)電系統(tǒng)中蓄電池充電控制器的設計

張佳民，翟成強，洪軒，廖盼盼

(上海電力學院自動化工程學院，上海200090)

為了將太陽能這種綠色新型可再生能源轉換成能夠直接使用的電能，方便中小功率用戶的使用，設計了一種基于太陽能發(fā)電的蓄電池充電控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)由太陽電池、蓄電池、充電控制器以及相應的蓄電池電壓檢測電路、充放電電路和負載保護電路等組成。測試結果表明，太陽能充電系統(tǒng)可以可靠有效工作，滿足為中小功率負載供電的設計目的。

太陽能；太陽電池；蓄電池；充電控制器

太陽能是一種新興的可再生能源，具有綠色環(huán)保、無污染、可直接利用等優(yōu)點。由于太陽電池的輸出電壓受光照強度的影響，電壓值不穩(wěn)定，因此太陽電池通常不能直接向用電器供電，必須將太陽電池獲得的電能通過充電控制器儲存到蓄電池中，然后通過蓄電池向負載供電。蓄電池充電控制器性能的好壞對蓄電池的使用壽命有著最直接的影響，因此，本系統(tǒng)中的充電控制器對蓄電池的充電條件和放電條件都予以限制，通過蓄電池電壓檢測電路實時監(jiān)測蓄電池的輸出電壓，有效避免了蓄電池發(fā)生過充和過放現(xiàn)象。同時，系統(tǒng)采取PWM脈寬調制充電方法，能夠很大程度提高充電效率，并對蓄電池起到很好的保護[1]。

1 基于太陽電池的蓄電池充電控制系統(tǒng)

1.1 系統(tǒng)硬件方案總體設計

本文設計的蓄電池充電控制器采用C8051F040單片機為核心，以Buck電路為主電路，單片機根據(jù)采集得到的電壓電流信號來執(zhí)行預先設定的充電控制策略，實現(xiàn)太陽電池的輸出特性與蓄電池充電方式的合理配合，使系統(tǒng)盡可能發(fā)揮自身的優(yōu)越性。蓄電池充電控制系統(tǒng)的工作原理框圖如圖1所示。

由圖1可知，充電電路主要由DC/DC變換電路組成，本系統(tǒng)采用Buck電路作為DC/DC變換電路。通過采樣電路采集太陽電池的端電壓和電流，把采集信號送到單片機進行模數(shù)轉換，根據(jù)采集數(shù)據(jù)充電控制器輸出PWM脈寬調制控制信號，此信號通過功率放大驅動功率開關器件，實現(xiàn)電壓調整?？刂破魍瑫r也要檢測蓄電池的端電壓及充電電流，以此來判斷蓄電池當前的電量，從而防止過充或過放。

圖1 蓄電池充電控制系統(tǒng)

1.2 系統(tǒng)硬件電路設計

1.2.1 蓄電池電壓檢測電路設計

蓄電池是整個系統(tǒng)的重要組成部分，對蓄電池的保護至關重要，因此充電系統(tǒng)要對蓄電池端電壓進行在線檢測?？刂破魍ㄟ^采集蓄電池端電壓信號，根據(jù)蓄電池端電壓的大小決定充電策略，防止蓄電池過充過放，從而保護蓄電池，延長其使用壽命。蓄電池電壓檢測電路如圖2所示。

圖2 蓄電池電壓檢測電路

蓄電池電壓檢測電路主要是采集蓄電池的端電壓信號，選擇蓄電池的負極作為整個檢測電路的零電位點[2]，如圖2所示。由于蓄電池充滿時的電壓為14.2 V，即蓄電池最大輸出電壓為14.2 V，因此利用2個固定電阻R1和R2分壓，并通過可變電阻Rs進行調節(jié)，可以使加在運算放大器同相輸入端的電壓穩(wěn)定在3.3 V以下，通過電壓跟隨器將該電壓輸出至控制器的PCI口，控制器單元內部電壓要求是0～3.3 V，完全滿足要求。通過PCI口讀入實時電壓數(shù)據(jù)，通過內部模數(shù)轉換器轉換為數(shù)字信號，然后經過控制器的分析，從而判斷蓄電池當前的電量狀態(tài)。

具體方案是控制器內部將采集到的電壓信號經過計算還原到蓄電池真實的電壓，當檢測到蓄電池的電壓小于10.5 V時，開關管始終接通，即采取全通充電方式。如果檢測到蓄電池電壓大于10.5 V并小于14.2 V時采取脈寬調制方式充電。隨著蓄電池電壓的增加，脈寬不斷變窄，直到蓄電池端電壓上升為14.2 V時，脈寬減小為0停止充電。脈寬調制方式的實現(xiàn)是由軟件來實現(xiàn)的。

1.2.2 充放電電路設計

在充放電模塊設計中，本文采用功率場效應管作為充放電電路中的開關器件[3]。充放電控制電路如圖3所示。開關Q5導通時，太陽能極板和蓄電池構成回路，太陽能極板對蓄電池進行充電；開關Q5斷開時，太陽能極板與蓄電池斷路，停止對蓄電池的充電。

圖3 充放電控制電路

蓄電池充電控制：當OP1輸出低電平時，Q1、Q2均截止，導致Q3導通，Q4截止，從而Q5導通，蓄電池負端連接到太陽電池負端，此時太陽電池向蓄電池充電；當OP1輸出高電平時，Q1、Q2均導通，導致Q3截止，Q4導通，從而Q5截止，蓄電池負端與太陽電池負端斷開，此時太陽電池停止向蓄電池充電。OP1高低電平的輸出選擇通過控制器的軟件實現(xiàn)，控制器通過采集到的蓄電池端電壓和太陽電池電壓信號來決定是否向蓄電池充電。

蓄電池放電控制：當OP2輸出低電平時，導致Q6截止，Q7導通，負載的負端與蓄電池的負端連接在一起，此時蓄電池處于供電狀態(tài)，向負載供電；當OP2輸出高電平時，導致Q6導通，Q7截止，負載的負端與蓄電池的負端斷開，此時蓄電池停止向負載供電。OP2的高低電平輸出選擇同樣通過控制器的軟件來控制。

2 蓄電池充放電策略及軟件系統(tǒng)

2.1 蓄電池充放電策略

本文選用PWM脈寬調制充電法，PWM脈寬調制充電方式首先對電池充電一段時間，然后讓電池停止充電一段時間，如此循環(huán)往復。這種PWM脈寬調制充電方式使蓄電池有充分的反應時間，提高了蓄電池充電效率。

對于太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)中的蓄電池來說，在光照較強的白天，若蓄電池發(fā)生過充，充電控制器會根據(jù)蓄電池的電壓來控制太陽能極板與蓄電池的通斷占空比，并保持一段時間，激活蓄電池，最后降到浮充電壓并保持。若未發(fā)生過充，就無需提升充電電壓，以免蓄電池失水，這些自動控制過程將使蓄電池達到最佳充電效果并延長其使用壽命[4]。在光照較弱的黑夜，蓄電池主要向負載供電，同樣要檢測蓄電池電壓，當電壓到達設定的最低放電電壓時，控制器會自動切斷負載來保護電池不被過放電。只有當蓄電池再次被充電后的電壓達到控制器設定的啟動電壓時，負載才會被再次接通。

2.2 系統(tǒng)軟件設計

系統(tǒng)開始工作后，先檢測太陽電池電壓是否達到充電電壓，如果己經達到充電電壓，則轉入蓄電池電量狀態(tài)計算子程序和脈沖寬度子程序，完成對蓄電池的充電控制，否則繼續(xù)檢測太陽電池電壓，直到其電壓達到充電電壓為止，軟件總體設計、蓄電池電量狀態(tài)子程序以及脈寬調制子程序的原理圖分別如圖4～6所示。

圖4 軟件總體設計原理圖

圖5 蓄電池電量狀態(tài)子程序

圖6 脈寬調制子程序

3 測試結果與分析

3.1 充電系統(tǒng)空載和帶小負載狀態(tài)充電測試

實驗所用的太陽電池輸出最大功率為38 W，標稱工作電壓為17.5 V，開路電壓為21.5 V，滿足向蓄電池充電的電壓要求。蓄電池額定電壓為12 V，額定電流為8 A。

空載實驗當天的天氣情況：天氣晴朗，空中云層較少，光照充足，溫度為25～35℃。蓄電池初始電壓為9.78 V，負載回路斷開，從上午9點開始，每隔10 min測量一次蓄電池電壓，直到電壓達到最大且保持不變，記錄下每次測量的電壓值和對應的時間。經整理繪圖，得到空載狀態(tài)下蓄電池充電曲線如圖7(a)所示。帶小負載實驗當天的天氣情況和空載時基本一致，只是在負載回路串聯(lián)一個5 W的小燈泡。蓄電池初始電壓為9.80 V。同樣從上午9點開始，數(shù)據(jù)記錄方式同空載實驗保持不變。經整理繪圖，得到帶載狀態(tài)下蓄電池充電曲線如圖7(b)所示。

圖7 蓄電池充電曲線圖

在天氣情況和蓄電池初始電壓基本相同的條件下，由充電曲線可知，空載狀態(tài)下的蓄電池充滿電的時間為6 h，而帶小負載的蓄電池所需的充電時間更長，為8 h，但無論是空載還是帶載實驗，蓄電池的充電過程基本一致，且蓄電池充滿電的電壓均穩(wěn)定在14.2 V。因此，該充電控制系統(tǒng)工作正常，且性能穩(wěn)定可靠，可以滿足向小功率負載供電的要求。該光伏系統(tǒng)中的蓄電池充電過程與一般充電率時的蓄電池充電過程一致，充電時間較短且對蓄電池的保護做得更好。

3.2 大負載下放電控制測試

為了檢查蓄電池的電量是否正常，本文采用10小時率[5]放電。將充滿電的蓄電池的負載回路中接入10 Ω的電阻，每隔15 min測量一次蓄電池端電壓，通過計算蓄電池放出電量，對照測量得到的電壓，判斷蓄電池電量是否正常。放電過程中蓄電池端電壓變化曲線如圖8所示。

圖8 蓄電池放電電壓變化曲線

由放電曲線可知，蓄電池由充滿電狀態(tài)經過10小時率放電的最終電壓為7.8 V，仍大于設定的最低放電電壓，且每一小時時段放電結束后的電壓經過換算，蓄電池的剩余電量均在正常水平以上，最終放電結束后蓄電池的剩余電量仍然超過充滿電量的50%。因此，該充電控制器很好地限制了蓄電池的放電條件，根據(jù)蓄電池電壓檢測電路采集到的實時電壓數(shù)據(jù)，合理地控制蓄電池的放電過程，有效避免了蓄電池發(fā)生過放電現(xiàn)象。

4 結語

本文設計的太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)中的蓄電池充電控制器以單片機為核心，經過調試運行，其效果完全滿足系統(tǒng)給定的功能要求。充電控制器對蓄電池的充放電條件均予以限制，保證蓄電池不會發(fā)生過充或過放，有效地保護了蓄電池，提高了系統(tǒng)的可靠性。測量結果表明，太陽電池工作輸出電壓在14.5～21.5 V，滿足向蓄電池充電的要求，蓄電池充滿電的電壓穩(wěn)定在14.2 V。系統(tǒng)運行結果完全按照設計要求，控制器根據(jù)蓄電池剩余電量來控制充電或放電的運行，蓄電池剩余電量基本不低于50%，有效降低了電池損耗，保證了系統(tǒng)可以長期可靠使用。

[1]趙禹唐，王希業(yè).蓄電池充電技術[J].電源技術，2001，25(5)：375-377.

[2]盧漢輝.蓄電池組充電管理系統(tǒng)關鍵技術的研究[D].上海：上海交通大學，2007：38-43.

[3]盧琳，受國華，張仕文.基于MPPT的智能太陽能充電系統(tǒng)研究[J].電力電子技術，2006，41(2)：96-98.

[4]謝歆.鉛酸蓄電池的荷電狀態(tài)指示儀研究[D].安徽：安徽理工大學，2003：5-8.

[5]王菊芬.光伏發(fā)電系統(tǒng)中影響蓄電池壽命因素分析[J].蓄電池，2002(2)：51-54.

Design of battery charging controller in solar photovoltaic power generation system

ZHANG Jia-min,ZHAI Cheng-qiang,HONG Xuan,LIAO Pan-pan
(School of Automation Engineering,Shanghai University of Electric Power,Shanghai 200090,China)

In order to convert solar energy which is a kind of green and renewable energy into the electricity that can be directly used,making it convenient for small and medium power users,a practical battery charging system based on solar cells was designed.This solar charge system consists of solar cells,battery,charge controller and corresponding battery voltage detection circuit,charge and discharge circuit and load protection circuit.The test results show that the solar charging system can work reliably and efficiently,meeting the power supply need for small and medium power load.

solar energy;solar cells;battery;charge controller

TM 914

A

1002-087 X(2016)08-1648-03

2016-01-16

上海市電站自動化技術重點實驗室(13DZ2273800)

張佳民(1970—)，女，黑龍江省人，副教授，碩士，主要研究方向為傳感器、檢測與儀表以及電能質量分析。