一種基于單片機實時顯示太陽能充放電控制器設計

孫艷玲，羅 友 ，張東清

(杭州電子科技大學新型電子器件與應用研究所電光源實驗室，杭州310018)

太陽能光伏產(chǎn)業(yè)是近年來世界上發(fā)展速度最快的行業(yè)之一，能源危機與環(huán)境保護問題的日益嚴重，使得這一產(chǎn)業(yè)更是受到前所未有的關(guān)注。由于太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)輸入能量極不穩(wěn)定，一般需要先將電能以化學能的形式存儲在蓄電池中，再將化學能轉(zhuǎn)化成電能提供給負載。目前主要的可充電電化介質(zhì)有:鉛—酸(Pb－acid)、鎳鎘(Ni－Cd)、鎳—金屬氫化物(NiMH)、鋰離子(Li－ion)等。其中鉛酸蓄電池以前成熟度和高性價比成為當前可充電蓄電池中應用最廣泛的類型，尤其是閥控式鉛酸蓄電池(VRLA)以其使用安全、免維護、壽命長、成本低、可回收物污染等優(yōu)點，被廣泛應用在電力、郵局通信船舶交通、應急照明等領(lǐng)域。

在鉛酸蓄電池的使用過程中，過充電會造成蓄電池大量出氣(電解水)，造成水分散失和活性物質(zhì)脫落;過放電則容易加速柵板的腐蝕和不可逆硫酸化。適當?shù)你U酸蓄電池充放電控制器，通過檢測蓄電池的電壓或核電狀態(tài)，發(fā)出相應的充放電指令。

1 蓄電池的常規(guī)充電方法

1.1 恒流充電法

恒流充電將流入蓄電池的充電流控制在一個恒定值上為蓄電池充電，在充電過程中，要不斷的調(diào)整蓄電池的電壓使之恒定不變，此種方法適合于小電流長時間的充電模式。不足之處是在充電初期充電電流偏小，后期偏大，在后期析出氣體多，對極板沖擊大，能耗高，充電效率低。恒流充電方法如圖1所示。

圖1 恒流充電法

1.2 恒壓充電法

恒壓充電法是指始終用恒定的電壓對蓄電池進行充電，因此在充電初期蓄電池電壓較低，充電電流很大，但隨著蓄電池電壓的升高，電流逐漸減小，在充電末期只有很小的電流通過，這樣在充電過程中不必調(diào)整電流。與恒流充電法相比，雖然這種方法不會浪費過多的充電功率，但在恒壓充電初期充電電流過大，可能會嚴重影響蓄電池壽命，甚至使蓄電池極板彎曲，造成報廢。恒壓充電方法如圖2 所示。

圖2 恒壓充電法

1.3 階段充電法

蓄電池的階段充電法包括兩階段充電方法和三階段充電方法，這是以克服恒流與恒壓缺點而結(jié)合的一種充電策略。充電初期使用恒流充電，到達一定容量后改為恒壓充電。這種方式在充電初期不會出現(xiàn)很大的電流，在后期也不會出現(xiàn)過高的電壓，使蓄電池產(chǎn)生析氣。兩階段充電完畢后，蓄電池的容量基本達到額定值，改用涓流充電以彌補蓄電池的自放電，這種小電流的充電方式成為浮充，電壓比恒壓的電壓要低大約200 mV ～300 mV。如圖3 所示。

圖3 三階段充電法

本系統(tǒng)實現(xiàn)的是PWM 三階段充電方式，通過調(diào)節(jié)MOSFET 開關(guān)管的通斷時間來控制信號的D(占空比)，從而實現(xiàn)對輸出電壓的調(diào)整。利用AVR單片機的PWM 口，通過軟件編程改變占空比的大小來控制對蓄電池的充放電。

2 系統(tǒng)設計指標

2.1 光伏電池組件選擇

在光伏系統(tǒng)中，太陽能電池組件對鉛酸蓄電池進行充電。一般而言，基于絲網(wǎng)印刷技術(shù)或埋柵硅太陽能電池技術(shù)的36 片電池組件，可以串聯(lián)起來為一個12 V 的蓄電池充電。電池組件的參數(shù)為:

開路電壓(Voc):21.6 V(25 ℃)，短路電流(Isc)=3.0 A，填充因子(FF)=75%，最大功率電壓(Vmp)=18 V(25 ℃)，最大功率電流(Imp)=2.7 A。

2.2 系統(tǒng)充電方式

我們可以將蓄電池分為三種不同的狀態(tài)，分別是過放、欠壓和正常。在充電之前先檢查蓄電池的所在狀態(tài)，根據(jù)不同的狀態(tài)選擇不同的充電方式，其對應充電方式如表1 所示。其中，提升充充電電壓為14.8 V，直充充電電壓為14.4 V，浮充充電電壓為13.8 V(蓄電池電壓Vb指無負載下的電壓)。

表1 蓄電池的充電方式選擇

3 系統(tǒng)硬件設計

3.1 電路結(jié)構(gòu)框圖

系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖如圖4 所示，太陽能電池板產(chǎn)生的電壓經(jīng)由控制器，存儲在鉛酸蓄電池中，同時在控制器的作用下，向直流負載進行供電。如果負載是交流的，需要加交流逆變器(DC/AC)。

圖4 電路結(jié)構(gòu)框圖

太陽能板產(chǎn)生的不穩(wěn)定電壓可經(jīng)過DC/DC 變換，變?yōu)殂U酸蓄電池所需要的可充電電壓。本論文針對12V 的鉛酸蓄電池充電管理，所以采用BUCK降壓型拓撲。電路拓撲結(jié)構(gòu)如圖5 所示，其中D1是防反充二極管，可保證當太陽能電池電壓小于蓄電池電壓的時候，蓄電池對太陽能板不進行反充電。二極管可選擇快恢復二極管，這種二極管導通內(nèi)阻小，充電時發(fā)熱量小，可連續(xù)充電。

圖5 buck 拓撲電路

單片機主要的功能模塊如圖6 所示，主要包括太陽能板和蓄電池的電壓采集，以及蓄電池的充電電流的采集，并進行PWM 控制，通過采集周圍環(huán)境的溫度對蓄電池進行溫度補償，可通過發(fā)光二極管實時的顯示蓄電池的狀態(tài)。

圖6 單片機控制模塊

3.2 檢測電路的設計

檢測電路主要包括太陽能板和蓄電池的電壓檢測，蓄電池的充電電流檢測，和溫度檢測。對于太陽能板和蓄電池的電壓檢測可通過電阻分壓法進行直接檢測。如圖7 所示，分別是太陽能電池Up 的電壓檢測，鉛酸蓄電池Ub 的電壓檢測和溫度檢測電路。

圖7 電壓檢測電路

充電時鉛酸蓄電池產(chǎn)生的熱量由充電電流流過內(nèi)阻和電池內(nèi)部化學反應所釋放的兩部分熱量，使鉛酸蓄電池的溫度升高。溫度升高的結(jié)果是充電電流的增大，一旦超過鉛酸蓄電池在該時刻所對應的可接受充電電流的大小，將伴隨副反應的發(fā)生。因此，控制不當將會在后期發(fā)生過充電反應，而過充電電流主要用來產(chǎn)生副反應和產(chǎn)生熱量，又進一步導致溫度的升高，對蓄電池的壽命大打折扣。因此，在充電過程中，設置溫度傳感器，采樣充電過程電池的溫度，建立反饋控制回路來控制調(diào)節(jié)電流的大小。

溫度采樣的方法很重要，直接關(guān)系著補償?shù)男Ч?。一般來說有3 種方式:一是采樣蓄電池附近的空氣溫度，這種方法最容易，但是不準確;而是采樣蓄電池外殼的表面溫度，是最為實際和容易的方法;但是采樣蓄電池內(nèi)部電解液的溫度，最能準確反映蓄電池的實際情況，但是較難實現(xiàn)，需要專業(yè)的設備與技術(shù)。目前應用最廣的就是第二種方法，來采樣和設計溫度補償單元。

鉛酸蓄電池采用溫度補償功能后，設定的標準電壓將按照以下公式變化:

其中，Vtc為溫度補償后的電壓，Vn為未經(jīng)補償?shù)碾妷?，Tc為設置的補償系數(shù)(單位:mV/℃)，N 為每組鉛酸蓄電池的數(shù)值，T 為溫度傳感器的指示溫度。

以閥控式鉛酸蓄電池為例，在25 ℃時，浮充電壓為2.25 V/只，允許的變化范圍是2.23 V ～2.27 V。溫度補償系數(shù)，其值一般為3 mV/℃～4 mV/℃。根據(jù)公式可以得到不同溫度時的浮充電壓，系統(tǒng)將根據(jù)檢測到的溫度值自動調(diào)整浮充電壓值。

電流檢測的方法有很多種，包括霍爾傳感器檢測，電流互感器和采樣電阻檢測等等。在電流較大場合，大多采用磁性器件進行檢測，以避免電阻檢測造成的損耗，較常用的是電流互感器。但是電流互感器電路設計相對復雜，且占用的基板面積較大，不利于電路小型化。除了電流互感器外，霍爾傳感器也是根據(jù)磁感應制作的電流檢測元件。同電流互感器相比它精度高但是價格高，體積大。

電阻電流檢測電路通常利用測量電流通路中采樣電阻兩端壓降以得到采樣電流。按照采樣電阻與電源連接位置的不同，可分為電壓低端電流檢測和電壓高端電流檢測。由于其電路設計簡單，成本低廉，易于實現(xiàn)，使得在電路中應用非常普遍。鑒于低端檢測電流在使用時有幾種狀態(tài)故障時檢測不出來的，避免對負載造成大的問題，本系統(tǒng)利用電壓高端電流檢測。專用高端檢流電路內(nèi)部包含了完成高端電流檢測的所有功能單元，并可以在高達32 V 共模電壓下檢測高端電流，并提供與之成比例的，與地電平為參考的的電流輸出。適合于需要對電流進行精確測量和控制的應用，如電源管理和電池充電控制。MAXIM 的高端檢流運放中所使用的檢流電阻放置在電源的高端和被檢測電路端之間。如圖8 為利用MAX4173 構(gòu)成的高端電流檢測電流(VCC 為3 V ～28 V)。

所測電流Is為

其中Rlsensel為檢測電阻阻值

圖8 高端電流檢測電路

G 為運放的增益

Vout為運放輸出電壓

G 分別為:20(MAX4173T)，50(MAX4173F)，100(MAX4173H)。

3.3 輔助電源

系統(tǒng)選用高性能、低功耗的ATmega16 單片機作為微處理器，正常模式下的工作電壓為4.5 V ～5.5 V，工作電流為1.1 mA。通過穩(wěn)壓芯片LM7805調(diào)整為單片機所需要的電源電壓。lm78/lm79 系列三端穩(wěn)壓芯片組成的穩(wěn)壓電源所需的外圍元件極少，電路內(nèi)部還有過流、過熱及調(diào)整管的保護電路，使用起來可靠、方便，而且價格便宜。該系列集成穩(wěn)壓IC 型號中的lm78 或lm79 后面的數(shù)字代表該3端集成穩(wěn)壓電路的輸出電壓，如lm7806 表示輸出電壓為正6 V，lm7909 表示輸出電壓為負9 V。LM317是美國國家半導體公司生產(chǎn)的3 端可調(diào)穩(wěn)壓集成電路，輸出電壓范圍是1.2 V 到37 V，提供的最大電流能夠夠達到1.5 A。

圖9 LM317 單片機供電電路

3.4 放電管理

蓄電池在應用過程中，過放電會折損蓄電池的使用壽命。系統(tǒng)放電框圖如圖10 所示。

圖10 放電控制框圖

當蓄電池電壓達到過放電控制電壓時候，控制器通過MOS 開關(guān)，切斷負載供電，以保護蓄電池的過放電，確保蓄電池不受損害。

4 系統(tǒng)軟件設計

ATmega16 是ATMEL 公司生產(chǎn)的高性能、低功耗的8 bit AVR 處理器。具有先進的RISC 結(jié)構(gòu)，非易失性的程序和數(shù)據(jù)存儲器，包括16 k 內(nèi)部可編程的Flash、512 byte 的EEPROM、及具有獨立鎖定位的可選Boot 代碼區(qū)，JTAG 接口可實現(xiàn)片上調(diào)試及擴展功能。其中，單片機具有兩個8 bit 定時/計數(shù)器和一個16 bit 定時/計數(shù)器，四通道的PWM 及8 路10 bit ADC。系統(tǒng)工作時，首先將單片機復位，然后采集周圍環(huán)境溫度，根據(jù)環(huán)境溫度設定相應的提升充電壓和直充電壓以及浮充電壓值。通過檢測蓄電池的電壓Up 來判斷蓄電池狀態(tài)進行相應的充電子程序。如圖11 為蓄電池充電方式選擇子程序流程框圖。

圖11 充電方式選擇子程序框圖

單片機利用定時/計數(shù)器產(chǎn)生PWM 信號，計數(shù)從0 開始進行增1 計數(shù)，到TOP 值后歸零，在計數(shù)值為0 時，產(chǎn)生高電平，當與設定的COMP 值相等時候，產(chǎn)生低電平，如此反復計數(shù)。所發(fā)出來的PWM的周期與TOP 值有關(guān)，占空比與COMP 值有關(guān)。TOP 取255，COMP 取128，即可得到占空比為50%的方波。實驗中使用的是BUCK 型拓撲，其占空比為D=Vo/Vin，其中Vo為蓄電池的充電電壓，Vi為檢測到的太陽能的電壓?？筛鶕?jù)不同的時刻實時調(diào)整占空比為蓄電池進行充電。程序采用C 語言進行編程，編譯環(huán)境是ICC，軟件編寫完成后，可通過單片機的JTAG 仿真接口進行仿真調(diào)試。

4.1 VRLA 的充放電曲線

根據(jù)VRLA 的特點，控制器利用MCU 的PWM功能對蓄電池進行充電管理?？刂破髡３潆姇r，負載開路，保證正常充電。夜間將打開負載，進行放電。單個VRLA 的充放電特性曲線如圖12 所示。

圖12 VRLA 充放電特性曲線

5 總結(jié)

太陽能充放電控制器在光伏系統(tǒng)中起著核心的控制作用，利用專業(yè)的單片機與軟件編程，既可實現(xiàn)對蓄電池的合理充電，又可實現(xiàn)智能控制。本系統(tǒng)針對12 V 的蓄電池，設計了一套簡便實際的控制器，采用PWM 充電主電路，使充電的電壓損失較使用二極管的充電電路降低近一半，充電效率較非PWM 高3% ～6%，具有過放恢復的提升充電壓、正常的直充、浮充自動控制功能，使系統(tǒng)具有較長的使用壽命，同時兼具溫度補償功能。

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