高效智能化太陽(yáng)能充電系統(tǒng)的研究

梁曉鷗，廖俊必，吳 瑞

（四川大學(xué) 制造學(xué)院測(cè)控系，四川 成都 610065）

太陽(yáng)能光伏組件是利用半導(dǎo)體材料制成的一種可以直接將太陽(yáng)輻射能量轉(zhuǎn)化為直流電能的裝置。在使用上不受地域限制，只要有陽(yáng)光的地方就可以實(shí)現(xiàn)，同時(shí)太陽(yáng)輻射到地球上的總能量充足，是取之不盡的自然資源，在使用中對(duì)環(huán)境沒(méi)有污染。但是太陽(yáng)能的能量密度低，光伏組件效率難以提高等，都為其推廣普及帶來(lái)了一定的困難。作為一種新型的具有多種優(yōu)點(diǎn)的能源，光伏能源將會(huì)更加廣泛地被使用[1]。

筆者設(shè)計(jì)了一套能夠完成智能化充電用電管理的太陽(yáng)能供電系統(tǒng)，能夠獨(dú)立完成光伏組件智能供電，蓄電池充電，并對(duì)負(fù)載進(jìn)行供電，可以工作在浮充狀態(tài)下，通過(guò)單片機(jī)實(shí)現(xiàn)智能化控制，通過(guò)指示燈顯示充電狀態(tài)，從而實(shí)現(xiàn)高效智能化管理系統(tǒng)。

1 原理與設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)原理

太陽(yáng)能電池在使用中，通常根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的需求功率電壓電流等參數(shù)進(jìn)行串并組合構(gòu)成太陽(yáng)能電池組件；由于太陽(yáng)能電池自身的輸出特性并不能保持恒定，會(huì)隨著光照、溫度、角度等條件的變化而變化，所以在太陽(yáng)能輸出端需要加一個(gè)轉(zhuǎn)換電路，采用最大功率跟蹤的方法，隨時(shí)調(diào)整電路的輸出功率，實(shí)現(xiàn)高效利用有限的太陽(yáng)能資源；在充電過(guò)程中時(shí)刻監(jiān)測(cè)電路中太陽(yáng)能組件輸出電壓、電流、充電電流、蓄電池電壓，蓄電池溫度等參數(shù)，當(dāng)蓄電池電壓達(dá)到充電終止電壓時(shí)，及時(shí)斷開(kāi)充電回路，防止蓄電池過(guò)充，或者當(dāng)蓄電池電壓低至放電截止電壓時(shí)，及時(shí)斷開(kāi)用電回路，防止蓄電池過(guò)放。系統(tǒng)各個(gè)模塊設(shè)計(jì)框圖如圖1所示。

圖1 智能太陽(yáng)能供電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.1 System block diagram

1.2 MPPT最大功率跟蹤控制

太陽(yáng)能光伏組件是一種特殊的電源器件，它既有電流源的特性，也有電壓源的特性，其輸出的電壓電流與光照強(qiáng)度、溫度等有關(guān)，在一定溫度下，其輸出電流隨著光照強(qiáng)度的增強(qiáng)而大大增加，輸出電壓則基本不變，伏安特性曲線如圖2所示。

當(dāng)給太陽(yáng)能電池接上負(fù)載，其負(fù)載線與特性曲線的交點(diǎn)與坐標(biāo)軸圍成的面積即表示此刻的輸出功率。當(dāng)該面積最大時(shí)，即表示負(fù)載與太陽(yáng)能電池剛好匹配，可以輸出最大功率。由于太陽(yáng)能電池的伏安曲線是隨著外部環(huán)境變化的，即理論上最大功率點(diǎn)在曲線上并不固定，MPPT實(shí)際上就是一個(gè)負(fù)載的動(dòng)態(tài)匹配過(guò)程，以尋找到最大功率點(diǎn)，目前常用的控制方案有擾動(dòng)觀察法、增量電導(dǎo)法、滯環(huán)比較法、模糊控制法等[2-3]。其中擾動(dòng)觀察法，電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，容易實(shí)現(xiàn)。

圖2 太陽(yáng)能電池伏安特性與負(fù)載線及功率關(guān)系Fig.2 Volt-ampere characteristics and load line

擾動(dòng)觀察法的原理是通過(guò)給定一個(gè)方向的電壓擾動(dòng)，然后測(cè)量在這個(gè)擾動(dòng)發(fā)生后的輸出功率，與前一發(fā)生擾動(dòng)時(shí)刻的功率進(jìn)行比較，如果擾動(dòng)后的功率增大了，那么繼續(xù)沿著這個(gè)擾動(dòng)的方向給予電壓增量；如果擾動(dòng)后的功率減小了，那么就與之前擾動(dòng)方向相反，給予新的擾動(dòng)，再不斷循環(huán)這個(gè)過(guò)程，直到尋找到最大功率點(diǎn)[4]?；诮祲菏阶儞Q電路（BUCK）電路的MPPT最大功率跟蹤方法，是通過(guò)控制器輸出一個(gè)PWM信號(hào)，來(lái)控制電路中MOSFET的導(dǎo)通時(shí)間來(lái)調(diào)整輸出的。D為場(chǎng)效應(yīng)管的導(dǎo)通占空比，ΔD表示占空比的調(diào)節(jié)時(shí)間，在這種控制方法下，輸出功率將在最大功率點(diǎn)附近波動(dòng)，波動(dòng)的幅度，取決于ΔD的選擇，在同一初始 D值下，ΔD越大，波動(dòng)越大，但是系統(tǒng)從初始化到尋找到最大功率點(diǎn)的時(shí)間越短。

1.3 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)

BUCK電路是一種降壓型DC-DC變換電路，通常由功率晶體管、儲(chǔ)能電感、續(xù)流二極管及濾波電容構(gòu)成，如圖3虛線框示。

圖3 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)Fig.3 System circuit design

Q為功率晶體管，在一個(gè)開(kāi)關(guān)周期T內(nèi)，其導(dǎo)通時(shí)間為ton，導(dǎo)通占空比為D，通過(guò)LC濾波器，其輸出電壓平均值為VDSton/T。Q導(dǎo)通時(shí)，加在電感L上的電壓為VDS-VSAT-VO恒定，流過(guò)電感L的電流線性增大至I1，同時(shí)向負(fù)載供電和向電容充電；Q關(guān)斷時(shí)，電感兩端電壓極性反相以保持流過(guò)電感的電流不變，此時(shí)二極管VD導(dǎo)通，電感中的電流開(kāi)始線性下降至I2，則I1與I2的中點(diǎn)電流值，即為輸出的IO。當(dāng)I2不為零時(shí)，BUCK電路工作在電流連續(xù)狀態(tài)下[5]。單片機(jī)自帶的PWM信號(hào)輸出功能，可以很方便的進(jìn)行占空比調(diào)節(jié)，從而控制Q的導(dǎo)通時(shí)間，改變電路輸出。單片機(jī)輸出的PWM信號(hào)幅值不足以驅(qū)動(dòng)場(chǎng)效應(yīng)管導(dǎo)通，采用直接法驅(qū)動(dòng)電路進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，如圖4所示。

圖4 驅(qū)動(dòng)電路Fig.4 Driving circuit

電流檢測(cè)采用霍爾電流傳感器ACS712，該電流傳感器可探測(cè)到電流的大小并轉(zhuǎn)換成線性電壓輸出，其導(dǎo)通電阻大約1.2 mΩ，具有較低功耗。本系統(tǒng)的核心控制器選用STC12C5A60S2單片機(jī)。該單片機(jī)內(nèi)部集成了2路PWM，8路高速10位A/D轉(zhuǎn)換器，完全滿足本系統(tǒng)的需要。充電回路檢測(cè)光伏組件輸出電壓、輸出電流、蓄電池電壓、蓄電池充電電流4個(gè)信號(hào)，分別通過(guò)P1.0～P1.3輸入到單片機(jī)的AD轉(zhuǎn)換端口，測(cè)得準(zhǔn)確的電壓值，并計(jì)算出相應(yīng)的電流值，監(jiān)測(cè)回路狀態(tài)，防止蓄電池過(guò)放或者過(guò)充?；芈分胁捎镁哂休^低壓降的肖特基二極管防止負(fù)載蓄電池向太陽(yáng)能板反向充電。

充電回路采用常開(kāi)型固態(tài)繼電器控制，當(dāng)監(jiān)測(cè)到蓄電池處于未充滿的狀態(tài)下，則閉合固態(tài)繼電器，為蓄電池充電，當(dāng)監(jiān)測(cè)到V4到達(dá)蓄電池充電截止電壓時(shí)，斷開(kāi)繼電器，防止蓄電池過(guò)充，另一方面V4信號(hào)的檢測(cè)還反映出蓄電池的使用情況，當(dāng)蓄電池電壓低至放點(diǎn)截止電壓時(shí)，管理單元發(fā)出控制信號(hào)，斷開(kāi)用電回路，防止蓄電池過(guò)放，損壞電池。在系統(tǒng)中接入分別接入兩個(gè)發(fā)光二極管，當(dāng)繼電器閉合時(shí)，點(diǎn)亮紅色LED，表示正在充電；當(dāng)蓄電池充滿時(shí)，點(diǎn)亮綠色LED，指示充電完成。

1.4 電源管理方案

本系統(tǒng)待充電電池為單節(jié)磷酸鐵鋰電池。它是一種新型的鋰離子電池，標(biāo)稱電壓3.2 V、終止充電電壓3.6±0.5 V、終止放電壓2.0 V。電源管理模塊需要實(shí)現(xiàn)蓄電池過(guò)充過(guò)放保護(hù)，太陽(yáng)能板與蓄電池組的匹配調(diào)整，電路充放電狀態(tài)指示。

美國(guó)科學(xué)家馬斯提出并用實(shí)驗(yàn)證明了如果一個(gè)電池在充電過(guò)程中保持相等而微量的不斷氣化，那么充電電流的曲線為一條指數(shù)曲線。因此，越接近該充電曲線的充電方式，越能夠有效地減小蓄電池的極化現(xiàn)象并縮短充電時(shí)間[6]。采用變電流階段充電法，在充電初始階段采用MPPT最大功率跟蹤方法，盡可能多的獲取光伏組件的輸出功率，充電末期時(shí)減小充電電流，保護(hù)蓄電池。

1）在充電開(kāi)始前，檢測(cè)蓄電池的狀態(tài)，若低于蓄電池的過(guò)放電壓，則調(diào)節(jié)PWM信號(hào)，采用一個(gè)較小的電流對(duì)蓄電池進(jìn)行預(yù)充一段時(shí)間。

2）此后進(jìn)入普通充電階段，采用最大功率跟蹤方法，使太陽(yáng)能電池板輸出盡可能大的功率，并檢測(cè)蓄電池電壓和充電電流。隨著蓄電池逐漸充滿，電壓逐漸升高，直電池電壓接近3.6 V。

3）此時(shí)，蓄電池基本已經(jīng)充滿，其充電接受能力下降，如果仍按前一充電狀態(tài)下的電流充電，會(huì)造成過(guò)量析氣，損壞電池或者造成虛滿現(xiàn)象，此時(shí)調(diào)整PWM信號(hào)，逐漸減小充電電流，直到電池電壓達(dá)到充電截止電壓，最終完成充電。

1.5 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

本智能太陽(yáng)能充電管理系統(tǒng)的核心控制器選用STC12C5A60S2單片機(jī)。該單片機(jī)是具有高速，低功耗，強(qiáng)抗干擾能力的新一代8051單片機(jī)，速度比傳統(tǒng)8051快8～12倍，128字節(jié)片內(nèi)RAM數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，60 k程序存儲(chǔ)空間，36個(gè)通用I/O口，工作電壓3.3～5.5 V。將A/D轉(zhuǎn)換與PWM信號(hào)輸出都集成在了單片機(jī)內(nèi)，方便系統(tǒng)設(shè)計(jì)，簡(jiǎn)化電路，提高系統(tǒng)的集成化。開(kāi)機(jī)后，先進(jìn)行系統(tǒng)初始化，設(shè)定系統(tǒng)工作狀態(tài)，導(dǎo)通占空比D及調(diào)整量ΔD，輸出 PWM信號(hào)，使 BUCK電路開(kāi)始工作，打開(kāi)A/D轉(zhuǎn)換器，采集此刻電路的參數(shù)，包括充電電流電壓，電池溫度等，計(jì)算出當(dāng)前的輸出功率；然后，對(duì)PWM信號(hào)進(jìn)行調(diào)整，再進(jìn)行電流電壓數(shù)據(jù)采集，功率計(jì)算，與前一時(shí)刻輸出功率進(jìn)行比較，不斷調(diào)整直到尋找到最大功率點(diǎn)。由于MPPT方法在天氣快速變化的時(shí)候跟隨性差，甚至造成誤操作，所以設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)采集設(shè)每5 s進(jìn)行一次，每次采樣取10次AD轉(zhuǎn)換結(jié)果求取平均值。

圖5 軟件程序流程圖Fig.5 Flow chart of software

2 實(shí) 驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)太陽(yáng)能板性能最大短路電流1.94 A。在晴朗天氣條件下，測(cè)試數(shù)據(jù)如表1、圖6所示，充電效率提高20%～30%。

表1 測(cè)試數(shù)據(jù)Tab.1 Test data

圖6 測(cè)試數(shù)據(jù)Fig.6 Test data

3 結(jié) 論

文中設(shè)計(jì)了一種能夠自動(dòng)完成智能化充電控制的太陽(yáng)能－蓄電池充電管理系統(tǒng)。采用帶AD轉(zhuǎn)換，PWM信號(hào)輸出功能的高速STC12C5A60S2單片機(jī)。實(shí)驗(yàn)表明，利用該方法進(jìn)行充電，可以提高電池的充電效率，并且起到保護(hù)蓄電池的作用，是一款高效智能化充電管理系統(tǒng)。

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