基于MPPT的太陽能充電控制器的設(shè)計

付蓉 張義雷 蔣富忠 周堃 趙俊東

摘 要：本文設(shè)計了一種具有MPPT功能的光伏發(fā)電充電控制器。通過單片機檢測蓄電池充電電壓、充電電流的大小，自動切換充電器的工作狀態(tài)，有效地提高了蓄電池的壽命。在光照條件不足時，蓄電池的電壓，電流未超出給定值，開啟MPPT功能，保證整個系統(tǒng)最大效率的充電。經(jīng)matlab仿真，該設(shè)計具有可行性。

關(guān)鍵詞：太陽能 MPPT 充電控制 Matlab仿真

中圖分類號：TM91 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1672-3791（2018）01（a）-0028-04

Abstract： This paper designs a photovoltaic power charging controller with MPPT function. The machine can detect the charging voltage of the battery， the size of charging current， and automatically switch the working state of the charger， effectively improving the battery life. When the lighting condition is insufficient， the voltage of the accumulator is not exceeding the given value， and the MPPT function is opened to ensure the maximum efficiency of the whole system. Through Matlab simulation， the design is feasible

Key Words： Solar energy； MPPT； Charge control； Matlab

光伏發(fā)電技術(shù)由于可將無污染、可再生的太陽能轉(zhuǎn)換為方便存儲的電能，因此在全球能源緊張和環(huán)境污染嚴(yán)重的今天，日益受到人們的關(guān)注和重視。然而，光伏發(fā)電一直面臨著轉(zhuǎn)換效率低的問題。提高轉(zhuǎn)換效率，這在民用和工業(yè)上都是人們相當(dāng)關(guān)注的焦點[1]。作為光伏發(fā)電技術(shù)與蓄電池連接樞紐的光伏充電控制器，對提高轉(zhuǎn)換效率有著極其關(guān)鍵的作用。然而傳統(tǒng)的蓄電池充電技術(shù)無法追蹤光伏電池的最大功率點，造成能量的損失及利用效率較低的問題。本文設(shè)計的一種帶MPPT控制的光伏發(fā)電充電控制器，在基于蓄電池三段式充電方式的基礎(chǔ)上，加入MPPT功能，利用電導(dǎo)增量法控制策略，在光照不足時使光伏電池具有最大的功率輸出，從而提高光伏電池的發(fā)電效率和蓄電池的使用壽命。

1 系統(tǒng)整體組成及設(shè)計

光伏發(fā)電充放電控制系統(tǒng)主要由太陽能電池陣列、控制器和蓄電池組成。

圖1所示的控制器主要由DC-DC變換電路，檢測電路，驅(qū)動電路，微處理器等部分組成。檢測電路通過AD采樣，得到充電電流和電池電壓，來控制充電狀態(tài)。同時根據(jù)蓄電池的狀態(tài)，以決定是否進(jìn)行MPPT控制，微處理器通過改變產(chǎn)生PWM的占空比來達(dá)到控制目標(biāo)。

2 硬件設(shè)計

2.1主電路設(shè)計

本設(shè)計選用的太陽能電池參數(shù)特性如下：峰值功率為60W，在T=25℃，S=1000W/m3時，開路電壓VOC=21.3V，短路電流ISC=3.74A，最大功率點電壓VPM=17.5V，最大功率點電流IPM=3.43A。蓄電池為鉛酸蓄電池12V-38AH。為了使太陽能電池較好地符合充電要求，DC-DC變換電路選用降壓型BUCK換器[2]，其主要電路原理圖如圖2所示。

2.2 驅(qū)動電路設(shè)計

對于Buck DC-DC變換電路的開關(guān)管Q_1需要設(shè)計驅(qū)動電路。采用驅(qū)動芯片a3120，芯片結(jié)構(gòu)圖如圖3所示，該芯片為光電耦合MOSFET柵極驅(qū)動芯片，工作電壓為15～30V，輸出側(cè)驅(qū)動電流可達(dá)2A。芯片采用光電耦合將驅(qū)動電路與控制電路完全隔離，體積小，結(jié)構(gòu)簡單，應(yīng)用方便。由DSP產(chǎn)生的PWM信號作a3120輸入，輸出給開關(guān)管的柵極，驅(qū)動MOSFET，如圖4所示。

系統(tǒng)需要檢測的參量有電池組側(cè)電壓Ubat、充電電流Ibat、光伏電池兩端的電壓Upv與電流Ipv。電壓的檢測較為簡單，通過選用合適阻值的電阻進(jìn)行分壓即可，不再詳述。充電電流I1的檢測使用MAX471電流檢測芯片。MAX471是美國MAXIM公司推出的精密電流傳感放大器，內(nèi)置35mΩ精密傳感電阻，可測量電流的上下限為±3A，其結(jié)構(gòu)圖如圖5，圖6所示，在輸出端OUT接2kΩ1%精密電阻將電流轉(zhuǎn)化為對地電壓輸出。

3 軟件設(shè)計

3.1 MPPT的算法設(shè)計

太陽能光伏電池的功率特性曲線是一個單峰函數(shù)，在功率最大值Vmax處dP/dV=0，在Vmax兩端dP/dV的導(dǎo)數(shù)均不為0，若令step=A*abs（dP/dV）作為導(dǎo)納增量法中的步長數(shù)據(jù)，在距離最大功率點較遠(yuǎn)時使A較大，在距離最大功率點較近時使A較小，通過設(shè)置合適的A，可以實現(xiàn)在最大功率的跟蹤過程中的變步長跟蹤[3]。算法流程圖如圖7所示。

3.2 充電控制的算法設(shè)計

本設(shè)計采用改進(jìn)型的階段充電法對蓄電池進(jìn)行充電，充電過程分為3個狀態(tài)，即MPPT全充狀態(tài)、恒充狀態(tài)、浮充狀態(tài)[4]。主要依據(jù)采樣蓄電池的充電電壓值Ubat充電電流值Ibat來判斷蓄電池充電階段。整個算法的控制流程圖如圖8所示。由蓄電池參數(shù)特性可知道蓄電池的最大充電電流為0.3C，由此可以得出最大充電電流為11.4A，通過調(diào)節(jié)MOS管的導(dǎo)通關(guān)斷情況來達(dá)到控制充電狀態(tài)，達(dá)到控制要求。整個蓄電池的充電過程分為以下3種情況[4]。

（1）全充狀態(tài)。蓄電池的開路電壓Ubat<14.2V，我們認(rèn)為蓄電池處于過放電狀態(tài)。這時需要短時間內(nèi)快速提高蓄電池電壓，因此采用全充充電方法。啟動MPPT功能，以能達(dá)到的最大電流給蓄電池充電。

（2）恒充狀態(tài)。當(dāng)充電電流達(dá)到3.8A時，此時應(yīng)轉(zhuǎn)入恒流充電狀態(tài)，控制蓄電池的充電電流不超過0.1C。整個過程需要監(jiān)測充電電壓，一旦電流達(dá)到設(shè)定的最大值，開啟恒壓充電模式。

（3）浮充狀態(tài)。當(dāng)蓄電池的開路電壓Ubat>14.2V，我們認(rèn)為蓄電池的電壓范圍正常。執(zhí)行浮充充電程序，當(dāng)充電電流小于關(guān)斷電流閾值時，切斷充電回路，退出充電程序。

4 仿真模型

4.1 太陽能模型仿真

利用太陽能電池的開路電壓，短路電流，最大功率點電壓，最大功率點電流搭建太陽能電池模型，得出太陽能電池的伏安特性曲線與功率曲線，仿真結(jié)果如圖9、圖10所示。由仿真結(jié)果可以得知太陽能模型的正確性。

4.2 MPPT狀態(tài)仿真

在蓄電池電壓、電流均為超過設(shè)定值時，開啟MPPT功能，分別檢測太陽能電池兩端的電流和電壓，經(jīng)過變步長的方法使之以最大功率輸出。如圖11所示，在該模式下，最終電壓可以穩(wěn)定在最大功率點附近。

4.3 恒充狀態(tài)仿真

如圖12所示，恒充狀態(tài)中有兩個相互獨立的PI控制環(huán)，分別是恒流和恒壓。首先檢測蓄電池兩端電壓，若低于SWITCH開關(guān)設(shè)置的閾值，則電流環(huán)電路導(dǎo)通，對蓄電池以10A的恒定電流進(jìn)行充電；隨著充電的不斷進(jìn)行，電壓不斷升高，當(dāng)超過閾值時，則切換到電壓環(huán)電路，以13.2V對蓄電池級進(jìn)行恒壓充電，以此來實現(xiàn)保護(hù)蓄電池的目的。整個充電過程的電壓、電流和SOC曲線如圖13所示。電壓處于上升階段，未達(dá)到限定值13.2V，此時處于恒流階段，電流基本穩(wěn)定在3.8A。

5 結(jié)語

通過仿真，可以驗證本設(shè)計在三段式充電法的基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)，保護(hù)了蓄電池的使用壽命，同時可以根據(jù)蓄電池的狀態(tài)，來決定是否開啟MPPT功能，以發(fā)揮光伏電池的最大效應(yīng)。

參考文獻(xiàn)

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