一種新型的太陽(yáng)能充電控制器的設(shè)計(jì)

顧志鋒

（南通工貿(mào)技師學(xué)院，江蘇 南通 226000）

太陽(yáng)能控制器是太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)的重要設(shè)備,其性能的好壞直接影響太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)的使用效果。目前,常規(guī)的控制器主要采用模擬電路,功能單一難以實(shí)現(xiàn)全面保護(hù),在使用中保護(hù)點(diǎn)的參數(shù)較難改變,也很難實(shí)現(xiàn)溫度補(bǔ)償達(dá)到最佳工作效果,而且采用模擬電路系統(tǒng)性能會(huì)隨著野外環(huán)境的變化發(fā)生變化，控制效果會(huì)打折扣。本文設(shè)計(jì)的一種用微處理器為基礎(chǔ)的控制器有更好的工作效果。

1 控制器的硬件設(shè)計(jì)

圖1 控制器在太陽(yáng)能設(shè)備系統(tǒng)中的位置

充電控制器在系統(tǒng)中處于非常重要的位置，電池上的電壓允許在12V±10%浮動(dòng)（以12V電瓶為例）。隨著蓄電瓶的被充電，其電壓將會(huì)不斷上升，而隨著電瓶的放電，電瓶的電壓又會(huì)不斷下降。根據(jù)蓄電瓶的構(gòu)造與特性，我們知道，不管是充電，還是放電，都必須在一定的范圍內(nèi)進(jìn)行，即不能出現(xiàn)過(guò)充與過(guò)放的現(xiàn)象。否則，將大大降低電瓶的使用壽命。一般說(shuō)來(lái)，充電時(shí)，電瓶的電壓不得超過(guò)額定值的10%；而放電，則不得低于額定值的10%。也就是說(shuō)，我們?cè)诶秒娖窟M(jìn)行電能儲(chǔ)存與釋放時(shí)，電瓶的電壓必須控制在額定值的±10% 。根據(jù)這個(gè)要求，我們?cè)O(shè)計(jì)的充放電控制電路如圖2 所示。

圖2 充放電電路電原理圖

（1）充電控制回路的工作原理。場(chǎng)效應(yīng)管VT4是充電回路的電子開(kāi)關(guān)，它的導(dǎo)通取決于其柵極的電位。當(dāng)柵極處于高電位（8V）時(shí)導(dǎo)通，處于低電位（0V）時(shí)截止。而VT4柵極的電位又取決于VT3的狀態(tài)：當(dāng)VT3飽和時(shí)，VT4柵極處于低電位；當(dāng)VT3截止時(shí)，VT4柵極處于高電位（由R9及VD4串聯(lián)的穩(wěn)壓電路提供8V的電位）。VT3的飽和、截止又取決于IC1（單片機(jī)芯片）的③腳的輸出電位。在正常情況下（指蓄電池需進(jìn)行充電），IC1③腳的輸出低電位（0V）——VT3截止——VT4導(dǎo)通 （充電電子開(kāi)關(guān)打開(kāi)）——蓄電池被充電。充電回路為：光伏電池正極——VD5——FUSE（熔斷器）——蓄電池的正極、負(fù)極——VT4——地（光伏電池負(fù)極）。

在充電的同時(shí)，由于IC1③腳輸出低電位（0V），使發(fā)光二極管VD3導(dǎo)通發(fā)光，作為充電狀態(tài)的指示燈。由R10與R11分壓后的電位作為控制電壓送入IC1的⑥腳，當(dāng)蓄電池充滿(mǎn)后（即蓄電池的輸出電壓≥14.4V，IC1的⑥腳輸入電壓≥4.72時(shí)），IC1③腳輸出高電位（+5V），從而使 VT4截止，切斷充電回路，以保護(hù)蓄電池不致因過(guò)充而損壞。隨著放電的進(jìn)行，蓄電池的輸出電壓不斷下降，當(dāng)蓄電池的輸出電壓≤13.2V（IC1的⑥腳輸入電壓≤4.34V）時(shí)，VT4恢復(fù)導(dǎo)通，蓄電池又被充電。而當(dāng)蓄電池的輸出電壓處于13.5～14V（IC1的⑥腳輸入電壓在4.44～4.59V）時(shí)，VT4將間隙導(dǎo)通，使蓄電池處于浮充狀態(tài)，浮充的周期為3s，其中導(dǎo)通1s，截止2s。此時(shí)，充電指示燈也處于閃爍狀態(tài)。

（2）放電控制回路的工作原理。VT1是放電回路的電子開(kāi)關(guān)，它的導(dǎo)通也同樣取決于其柵極的電位。柵極處于高電位（8V）時(shí)導(dǎo)通；處于低電位（0V）時(shí)截止。而VT1柵極的電位又取決于VT2的狀態(tài)：當(dāng)VT2飽和時(shí)，VT1柵極處于低電位；當(dāng)VT2截止時(shí)，VT1柵極處于高電位（由R1及VD1串聯(lián)的穩(wěn)壓電路提供8V的電位）。VT2的飽和、截止又取決于IC1的②腳的輸出電位。當(dāng)正常情況下（指蓄電池有向負(fù)載的供電能力，即處于不“虧電”的狀態(tài)），IC1②腳輸出低電位（0V）——VT2截止——VT1導(dǎo)通 （放電電子開(kāi)關(guān)打開(kāi)）——蓄電池向負(fù)載放電。放電回路為：蓄電池的正極——FUSE（熔斷器）——負(fù)載——VT1——地——VT4（VD6）——蓄電池的負(fù)極。放電的同時(shí)，由于IC1②腳輸出低電位（0V），使發(fā)光二極管VD2導(dǎo)通發(fā)光，作為放電狀態(tài)的指示燈。由R7與R8分壓后的電位作為控制電壓送入IC1的⑦腳，以此來(lái)控制IC1的②腳輸出的電位。當(dāng)蓄電池的電壓≥10.8V（即IC1⑦腳輸入的電位≥3.37V）時(shí)，IC1②腳輸出低電位，VT1導(dǎo)通，蓄電池向負(fù)載放電；而當(dāng)蓄電池的電壓＜10.8V（即 IC1⑦腳輸入的電位＜3.37V）時(shí)，IC1②腳輸出高電位(+5V)，VT1截止，蓄電池停止向負(fù)載放電，以保護(hù)蓄電池不至因過(guò)放而出現(xiàn)“虧電”的現(xiàn)象，延長(zhǎng)蓄電池的使用壽命。蓄電池一旦停止向負(fù)載放電后，只有當(dāng)它的電壓上升至13.2V（即IC1⑦腳輸入的電位≥4.17V）時(shí)，方能恢復(fù)放電（IC1②腳方輸出低電位）。VD6構(gòu)成放電回路的輔助通道，當(dāng)充電回路不工作（即VT4截止，如蓄電池處于過(guò)充狀態(tài)）時(shí)，放電通過(guò)其構(gòu)成回路。另外，若由于某種原因?qū)е鲁潆娮詣?dòng)控制回路出現(xiàn)了故障，即當(dāng)蓄電池電壓上升至14.4V時(shí)，電路尚不能自動(dòng)切斷充電回路，以至蓄電池電壓繼續(xù)上升，則有可能使負(fù)載電流過(guò)大導(dǎo)致負(fù)載損壞。因此，當(dāng)蓄電池電壓升至16.5V（即IC1⑦腳輸入的電位＞5.50V） 時(shí)，IC1②腳輸出高電位(+5V)，VT1也處于截止?fàn)顟B(tài)，停止向負(fù)載供電，從而有效保護(hù)負(fù)載。一旦放電回路處于“負(fù)載保護(hù)”狀態(tài)后，只有當(dāng)蓄電池電壓下降至15V時(shí)（即當(dāng) IC1⑦腳輸入的電位≤5.0V）時(shí)，IC1②腳方輸出低電位(0V)，VT1重又處于導(dǎo)通狀態(tài)，恢復(fù)向負(fù)載供電。

綜上所述，蓄電瓶的電壓與充、放電控制電路的工作特性、工作狀態(tài)如表1所示。

表1 控制特性

另外，電路中的IC2是三端集成穩(wěn)壓器，輸入為蓄電池電壓，輸出為+5V，為IC1提供穩(wěn)定的工作電壓。C1、C2是低、高頻濾波電容。

IC1④腳電位的高低，決定了VT1是否工作在間隙狀態(tài)。當(dāng)④腳為高電位（+5V）時(shí)，連續(xù)導(dǎo)通；而當(dāng)④腳為低電位（0V）時(shí)，間隙導(dǎo)通，周期為4s，占空比為1/2。④腳電位的高低通過(guò)撥動(dòng)開(kāi)關(guān)“S”來(lái)實(shí)現(xiàn)。

2 控制器的軟件設(shè)計(jì)

控制器軟件的設(shè)計(jì)按照結(jié)構(gòu)化的程序設(shè)計(jì)完成的，將整個(gè)程序細(xì)分為若干個(gè)子程序，方便調(diào)試與檢查，開(kāi)發(fā)系統(tǒng)采用通用編程器top2048，利用c語(yǔ)言使整個(gè)程序變得簡(jiǎn)單，緊湊，易懂，便于調(diào)試。整個(gè)軟件流程圖如圖3 所示。

圖3 程序流程圖

3 結(jié)語(yǔ)

采用微處理器實(shí)現(xiàn)太陽(yáng)能充電控制器的充放電控制，其各項(xiàng)性能指標(biāo)明顯優(yōu)于常規(guī)控制器，可以根據(jù)不同的蓄電池進(jìn)行參數(shù)調(diào)節(jié)。選用的PIC12F65內(nèi)置A/D轉(zhuǎn)換器，體積小，低功耗，價(jià)格低，外圍電路簡(jiǎn)單，便于批量生產(chǎn)，可望在市場(chǎng)上得到進(jìn)一步推廣。

[1]胡宴如.模擬電子技術(shù)[M].北京：高等教育出版社，2009.

[2]李全利.單片機(jī)原理及應(yīng)用技術(shù)[M].北京：高等教育出版社，2009.