小型光伏控制器設(shè)計

陳新

摘要：隨著社會經(jīng)濟的發(fā)展，對能源的需求越來越大，但傳統(tǒng)能源越消耗越少，還產(chǎn)生污染環(huán)境，發(fā)展新能源刻不容緩。太陽能光伏發(fā)電現(xiàn)已成為新能源重要組成部分，目前太陽能光伏發(fā)電裝置已廣泛應(yīng)用于通訊，交通，電力等各個方面，其核心部分就是充電控制器。

本設(shè)計針對目前市場上傳統(tǒng)光伏控制器對蓄電池的充放電控制不合理、保護不充分，使其使用壽命縮短情況，研究確定了一套基于單片機的太陽能充電控制器的方案。在太陽能對蓄電池的充放電方式、控制器的功能要求和實際應(yīng)用方面做了一定分析，完成了硬件電路設(shè)計和軟件編制，對光伏控制器做出了改進。

緒論

1.1 課題研究背景和意義

能源是工業(yè)發(fā)展的重要基礎(chǔ)，工業(yè)發(fā)展是增強國力、提高人民生活水平的的重要途徑，但隨著能源危機的日益嚴重，傳統(tǒng)能源已不能滿足我國經(jīng)濟發(fā)展的需求，能源問題成為制約我國發(fā)展的一大瓶頸，這使得我國在發(fā)展傳統(tǒng)能源的同時加大對新能源的開發(fā)和利用。

太陽能作為新能源，與傳統(tǒng)能源相比具有廣泛性、無害性、長久性、巨大性等優(yōu)點，是未來全世界重要的能源之一。而我國太陽能資源十分豐富，同時太陽能發(fā)電也是符合我國可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的。

1.2 太陽能充放電控制器的作用及必要性

太陽能光伏在工作時，由于光照強度等原因，太陽能電池板的輸出電壓并不穩(wěn)定，會對負載電器造成損害，故不能將其直接與負載連接，而是將其發(fā)出的電能儲存到蓄電池中，再由蓄電池給負載供電。因此必須對太陽能光伏系統(tǒng)的充放電過程進行控制，太陽能光伏控制器因此而產(chǎn)生。

太陽能光伏控制器需要具備充電控制，過充、過放保護、防反接、短路保護等一系列功能。因此其在太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)中起著“大腦”的作用。它即可控蓄電池的充電電壓及方式，延長使用壽命，也可控制蓄電池對負載的供電，避免蓄電池過放的發(fā)生，在夜晚或陰雨天，還可防止蓄電池電壓高于太陽能電池板，發(fā)生蓄電池電流流向太陽能電池板的反接現(xiàn)象發(fā)生。所以，改進太陽能光伏充控制器的控制方式，改善光伏控制器的性能，加強對蓄電池的保護，成為了一個重要的研究課題。

1.3 設(shè)計主要任務(wù)

本設(shè)計的任務(wù)是設(shè)計一個太陽能光伏控制器。在對太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)的過程進行分析后，歸納出光伏控制器應(yīng)該具備以下功能：決定對蓄電池的充電方式，對工作過程中的太陽能電池板及蓄電池的狀態(tài)進行檢測，對蓄電池及太陽能電池板進行保護。完成分析后，進行了軟件流程和硬件框圖的大體規(guī)劃和初步設(shè)計，其實現(xiàn)的主要功能如下：

（1）檢測蓄電池與太陽能電池板之間電壓的高低，若前者電壓低于后者，則進入充電模式;反之，則關(guān)斷兩者間的電路;

（2）當(dāng)蓄電池電壓低于低壓警戒線時，自動關(guān)斷負載（欠壓關(guān)斷）;

（3）當(dāng)蓄電池電壓高于高壓警戒線時，自動關(guān)斷負載（過壓關(guān)斷）和充電;

（4）當(dāng)蓄電池處于即將充滿的狀態(tài)時，采用浮充充電模式。

2 太陽能充電控制器的總體設(shè)計方案

2.1 獨立光伏系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)

獨立的家庭用光伏發(fā)電系統(tǒng)主要由四個模塊構(gòu)成，即太陽能電池板、蓄電池、光伏控制器、負載電路。光伏控制器在整個系統(tǒng)中起到中樞的作用。

（1）太陽能電池板

太陽能電池板是利用光電效應(yīng)的原理制造而成的，半導(dǎo)體原子核對于電子的束縛能力比較弱，也是太陽能電池板的重要原材料。當(dāng)光照在半導(dǎo)體太陽能電池板的P/N結(jié)上，吸收一定能量的光子后其內(nèi)部導(dǎo)電的載流子電子和空穴分布和濃度發(fā)生變化，電子是負電性，空穴是正電性，電勢差即電壓就產(chǎn)生了，由于電壓的作用，將會有電流產(chǎn)生，這就是廣電效應(yīng)。

（2）蓄電池

蓄電池是整個太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)的重要組成部分，對整個系統(tǒng)性能可靠性有極大的影響。在光伏發(fā)電系統(tǒng)中，蓄電池的主要作用有：儲存電能，給負載提供電流等。蓄電池的存在，可以解決太陽能電池板電能不穩(wěn)定，和負載不匹配等問題。太陽能光伏控制器最主要的功能是控制太陽能電池板對蓄電池的充電，監(jiān)控、保護蓄電池。

（3）光伏控制器

太陽能電池板的輸出電壓并不穩(wěn)定，不直接與負載連接，而是將其發(fā)出的電能儲存到蓄電池中，再由電池給負載供電。蓄電池工作的原理是化學(xué)反應(yīng)，過充容易使電池過熱，過放容易使電池容量降低，這都會縮短電池壽命。只有在太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)工作過程中保證沒有上述兩種情況發(fā)生，蓄電池的使用壽命才能延長，效率也能提高。因此必須對太陽能光伏系統(tǒng)的充放電過程進行控制，太陽能光伏控制器因此而產(chǎn)生。

2.2 充電控制器的控制方案

蓄電池的使用壽命直接影響光伏發(fā)電系統(tǒng)的使用。影響壽命的主要因素有：充電電壓的設(shè)置、過放關(guān)斷點的設(shè)置、充電方式的選擇、溫度、運行環(huán)境等。依據(jù)這些影響因素，改進蓄電池的充放電模式。

本論文采用PWM （Pulse Width Modulation）脈寬調(diào)制充電技術(shù)。PWM脈沖調(diào)制充電方式首先對電池充電一段時間，然后停止充電一段時間，如此循環(huán)往復(fù)，又能使蓄電池充滿電量，而間歇期還使電池析出的氧氣和氫氣有時間被吸收，降低了電池的內(nèi)壓，讓下一個充電周期順利進行，使電池反應(yīng)更充分，吸收更多的電能。PWM調(diào)制充電方式不僅遵循蓄電池固有的充電接受率，而且能夠提高蓄電池充電接受率，這也是蓄電池充電理論的進一步發(fā)展。

2.3 控制器的整體設(shè)計方案

本系統(tǒng)以STC89C52單片機為主控單元，對蓄電池的電壓進行采樣的方法是串聯(lián)電阻分壓。，然后將采集到的電壓信號（模擬）送入A/D轉(zhuǎn)換，輸出的數(shù)字信號送入單片機中，通過液晶芯片把電壓值顯示出來以便獲取蓄電池的狀態(tài)。單片機在軟件程序的控制下輸出PWM控制信號，經(jīng)光耦驅(qū)動場效應(yīng)管開啟與關(guān)閉來控制充放電電路。該系統(tǒng)可以實現(xiàn)對蓄電池充放電過程的優(yōu)化，有效的延長蓄電池的壽命。

3 太陽能充電控制器的硬件電路設(shè)計

硬件電路主要由單片機最小系統(tǒng)、充放電電路、光耦驅(qū)動電路、A/D轉(zhuǎn)換電路、顯示電路、數(shù)據(jù)存儲器電路、串口通信電路，溫度檢測電路等組成。

3.1 系統(tǒng)簡介

電路設(shè)計以STC89C52單片機作為主控核心構(gòu)成控制電路模塊對整個電路控制。首先采用串聯(lián)分壓方式對蓄電池電壓采集后，送到模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊中的A/D轉(zhuǎn)換器進行轉(zhuǎn)換得到一個電壓信號的數(shù)字量，再將此數(shù)字信號送入到控制模塊中單片機進行處理;然后在軟件程序控制下，單片機輸出PWM控制信號送到充放電模塊中，經(jīng)光耦驅(qū)動電路來控制MOSFET的開啟與關(guān)斷。根據(jù)載荷變化來調(diào)制MOSFET管柵的偏置，在不同的狀況下選擇不同占空比的PWM輸出信號，進而選擇充電模式，最后通過通信模塊實現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳送和保存。數(shù)據(jù)存儲電路模塊，使得當(dāng)電壓出現(xiàn)異常時，同時把異常數(shù)據(jù)存在24C02中，可以日后查看。

3.2 單片機及其最小系統(tǒng)簡介

STC89C52芯片是一種低功耗、高性能、超強抗干擾性、加密性強的CMOS 8位微控制器，具有8K在系統(tǒng)可編程Flash存儲器，256字節(jié)RAM，32位I/O 口線，片內(nèi)晶振及時鐘電路。另外，STC89C52支持2種軟件可選擇節(jié)電模式。

單片機是系統(tǒng)的主控芯片，為了使整個電路能夠按照預(yù)設(shè)計劃進行工作，必須讓單片機處于良好的狀態(tài)。單獨到單片機只是個芯片，無法工作，所以首先必須構(gòu)建能夠提供單片機最基本工作環(huán)境的電路的最小系統(tǒng)，包括上電復(fù)位電路和晶振電路。復(fù)位是單片機的初始化操作，其主要功能是把單片機程序指針指向初始化為0000H，使單片機從0000H單元開始讀取執(zhí)行程序。除此之外，當(dāng)由于程序運行出錯或出現(xiàn)死機的狀況時，也需按復(fù)位鍵重新啟動;晶振電路是單片機內(nèi)部一個用于構(gòu)成振蕩器的高增益反相放大器的電路。

3.3 充放電電路

充放電電路中，二極管D1是為了防止反向充電，當(dāng)蓄電池的電壓高于太陽能電池板的電壓時，D1就生效，可以防止蓄電池電流流向太陽能電池板。MOSFET是電壓控制單極性金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管，所需驅(qū)動功率較小。通過控制MOSFET管閉合和斷開的時間（即PWM—脈沖寬度調(diào)制），就可以控制輸出電壓。而且MOSFET只有多數(shù)載流子參與導(dǎo)電，因而開關(guān)頻率可以很高，非常適合作控制充放電開關(guān)。

當(dāng)檢測到電池的電壓低于12V，充電模式為均充，Q1為完全導(dǎo)通狀態(tài);當(dāng)檢測到蓄電池的電壓在12V-14.5V，充電模式為浮充，Q1導(dǎo)通與不導(dǎo)通的占空比例變小;當(dāng)檢測到蓄電池的電壓等于15V左右，Q1截止使充電停止，同時Q2也關(guān)閉來關(guān)斷負載。當(dāng)檢測到蓄電池的電壓低于10.8V，Q2關(guān)閉停止放電，關(guān)斷負載來實現(xiàn)欠壓關(guān)斷。

3.4 光耦驅(qū)動電路

為了增加系統(tǒng)的可靠性，用光電耦合器實現(xiàn)單片機控制電路和充放電電路的隔離。M0S管Q1控制著充電電路，當(dāng)充電控制信號PWM為低電平時，光耦內(nèi)部的發(fā)光二極管的電流近似為零，右側(cè)三極管不導(dǎo)通，輸出端兩管腳間的電阻很大，相當(dāng)于開關(guān)“斷開”，輸出端K1被抬高，電阻R9右側(cè)被穩(wěn)壓管D2穩(wěn)壓到12V左右，MOSEFT的Vgs>0，MOS管Q1開啟，太陽能極板開始對蓄電池充電;當(dāng)充電控制器信號為高電平時，光耦內(nèi)部的發(fā)光二極管發(fā)光，三極管導(dǎo)通，輸出端兩管腳間的電阻變小，相當(dāng)于開關(guān)“接通”，此時從U2輸入的電壓經(jīng)光耦流向接地端，K1處的電壓接近為零，MOSEFT的Vgs<0，Q1截止，充電電路關(guān)斷。這就是充電電路原理。M0S管Q2控制著放電電路，其原理與Q1相似。

3.5 A/D轉(zhuǎn)換電路

本設(shè)計的STC89C52單片機沒有內(nèi)置的A/D轉(zhuǎn)換模塊，因此需先采集電池的電壓，然后經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換才可接入單片機。AD轉(zhuǎn)換器最主要的參數(shù)是轉(zhuǎn)換速度和轉(zhuǎn)換精度，故采用8位并行A/D轉(zhuǎn)換器芯片ADC0804，其集成A/D轉(zhuǎn)換器兼有并行A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換速度高和雙積分型轉(zhuǎn)換精度高的優(yōu)點。 ADC0804需外圍接線電路，即電壓采集電路和A/D轉(zhuǎn)換電路。如圖3-3、圖3-4所示，電壓采集電路用兩個串聯(lián)的電阻，大小為2：1，然后并聯(lián)在需要檢測的電壓兩端，從兩個電阻中間采集電壓。由分壓公式得出采集的電壓為ADIN，當(dāng)蓄電池充滿電時電壓大概為14.5V，計算出采集到的電壓為4.8V，符合A/D轉(zhuǎn)換芯片的輸入值。

3.6 LCD顯示電路

整個光伏控制器系統(tǒng)需要顯示當(dāng)前蓄電池電壓、溫度，以及一些必要的信息。因為其顯示內(nèi)容較多，決定采用帶中文字庫的128X64，它是一種具有4位/8位并行、2線或3線串行多種接口方式，內(nèi)部含有國標(biāo)一級、二級簡體中文字庫的點陣圖形液晶顯示模塊。該模塊低電壓低功耗，接口方式靈活，操作指令簡單、方便，可構(gòu)成全中文人機交互圖形界面，顯示8×4行16×16點陣的漢字或圖形。

3.7 數(shù)據(jù)存儲電路

為了把電路發(fā)生異常時的蓄電池電壓記錄下來，需要用存儲芯片進行數(shù)據(jù)保存。本設(shè)計采用具有I2C總線接口的串行E2PROM器件的AT24C02芯片，其是一個2K位串行CMOS E2PROM，采用先進CMOS技術(shù)，實質(zhì)上減少了器件的功耗。AT24C02可有效解決掉電數(shù)據(jù)保存問題，可對所存在數(shù)據(jù)保存100年，并且擦寫次數(shù)可達10萬次以上。

3.8 溫度檢測電路

由于溫度對蓄電池飽和電壓影響比較明顯，因此光伏控制器也需要檢測蓄電池的變化，故采用DS18B20溫度傳感器作為溫度采集部分。DS18B20是美國DALLAS半導(dǎo)體公司推出的第一片支持“一線總線”接口的溫度傳感器，它具有微型化，低功耗，高性能，抗干擾能力強，易配微處理器等優(yōu)點，可直接將溫度轉(zhuǎn)化成數(shù)字信號處理器處理。測量的溫度范圍是—55～125℃，測溫誤差0.5℃，相較熱電偶傳感器而言可實現(xiàn)高精度測溫。

4 太陽能充電控制器的軟件設(shè)計

4.1 系統(tǒng)主程序設(shè)計

系統(tǒng)主程序是整個電壓測控系統(tǒng)中最重要的程序，是一個順序執(zhí)行的無限循環(huán)程序。蓄電池電壓的采集、轉(zhuǎn)換顯示和異常數(shù)據(jù)的存儲都在測控子程序中進行，系統(tǒng)應(yīng)用主程序采用模塊化結(jié)構(gòu)，首先完成初始化，然后就開始按順序調(diào)用各個模塊子程序，通過系統(tǒng)自檢和控制指令來實現(xiàn)數(shù)據(jù)處理和電路控制，有效的控制蓄電池充放電。

4.2 電壓采集轉(zhuǎn)換模塊

當(dāng)CS與WR同時置低，為低電平時，A/D轉(zhuǎn)換器被啟動，且在WR上升沿后，經(jīng)過約100 uS后， 模數(shù)完成轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換結(jié)果存入數(shù)據(jù)鎖存器，同時，INTR自動變?yōu)榈碗娖?，表示本次轉(zhuǎn)換已結(jié)束。在INTR變?yōu)榈碗娖胶?，若CS、RD同時來低電平，則數(shù)據(jù)鎖存器的三態(tài)門打開，把數(shù)字信號送出，此時直接讀取數(shù)字端口數(shù)據(jù)，便可得到轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信號。反之，若RD為高電平，三態(tài)門處于高阻狀態(tài)，數(shù)據(jù)被鎖存。

此模塊通過對其進行啟動和讀取操作，主要來完成對蓄電池電壓的采集轉(zhuǎn)換，并對結(jié)果進行數(shù)據(jù)處理，送給后面的顯示模塊予以顯示。由于ADC0804的轉(zhuǎn)換時間很短，本設(shè)計未用中斷讀取A/D的數(shù)據(jù)，而是在啟動A/D轉(zhuǎn)換后，稍等一會時間，直接讀取A/D的數(shù)字輸出口即可。

4.3 顯示模塊

通過電壓采集轉(zhuǎn)換子程序，通過單片機處理就可以得到蓄電池的實際電壓值，本設(shè)計用液晶12864作顯示器來進行顯示。本設(shè)計中液晶12864使用串行操作，作為一款顯示芯片，為了使其能夠正常的工作，首先必須對其進行初始化，得到滿意的顯示效果，這就是軟件設(shè)計中顯示模塊的任務(wù)。

4.4 數(shù)據(jù)存儲模塊

在對蓄電池充放電控制過程中，會出現(xiàn)電壓值異常的情況，很有必要對其進行存儲，作為以后分析優(yōu)化使用;同時我們可以按一定周期間隔性的對蓄電池電壓進行采集，然后求取電壓的平均值，通過分析每天的平均值情況，可以大致了解蓄電池的充電情況，這對以后優(yōu)化充放電很有用。本設(shè)計用常見的AT24C02作為存儲器對數(shù)據(jù)進行保存記錄，同時具有很好的掉電保護功能。

當(dāng)檢測蓄電池充電使電壓值超過14.5v造成過充電時，調(diào)用數(shù)據(jù)存儲函數(shù)把此時刻的電壓值保存下來;當(dāng)發(fā)生過放電時，同理如此。由于單片機的處理速度很快，因此很容易實現(xiàn)循環(huán)檢測，做到對蓄電池狀態(tài)的實時監(jiān)控。

參考文獻：

[1]陳維，沈輝，鄧幼俊.太陽能光伏應(yīng)用中的儲能系統(tǒng)研究[J].蓄電池， 2006， 43（1）.

[2]張艷紅，張崇巍，呂紹勤，等.新型太陽能控制器的研制[J].節(jié)能， 2006， 25（2）.

[3]葛麗芳;基于固定電壓法的太陽能電池MPPT控制芯片[D];浙江大學(xué);2008年

[4]陳超，陳小元，吳夏來.基于STM8的新型光伏控制器設(shè)計[J].麗水學(xué)院學(xué)報.2012（05）

[5]張鵬. ?光伏電池模型特性研究[J]. 科學(xué)技術(shù)與工程. 2013（23）

[6]張紅光，宋吉江，翟義成，陳潔，劉圓圓. ?基于MATLAB的光伏MPPT仿真研究[J]山東理工大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版）. 2012（01）

國能神皖馬鞍山發(fā)電有限責(zé)任公司 ?安徽省馬鞍山市 ?243000