太陽能控制器電路工作分析

覃猛 陳仁芬

摘 要：太陽能控制器是整個光伏供電系統(tǒng)的核心控制部分。控制太陽能電池對蓄電池充電以及蓄電池給太陽能逆變器負(fù)載供電的自動控制設(shè)備?？刂齐娐沸阅芊€(wěn)定性對整個系統(tǒng)起到?jīng)Q定作用。

關(guān)鍵詞：太陽能控制器;工作過程;功能;分析

太陽能既是一次能源，又是可再生能源。它資源豐富，既可免費使用，又無需運輸，對環(huán)境無任何污染。太陽能充放電控制器在太陽系統(tǒng)中用于控制電池電壓并打開了電路，還有就是，當(dāng)電池電壓升到一定程度時，停止蓄電池充電。現(xiàn)在對太陽能充/放電控制器的工作過程、功能和主要電路進(jìn)行分析。

一、太陽能控制器的工作過程分析。

太陽能控制器的作用是有效地控制太陽能電池板給蓄電池充電，同時控制蓄電池為負(fù)載放電。以12V 蓄電池為例，與其配套的太陽能電池板在有一定光照強(qiáng)度下的開路電壓為21V，接入控制器后的電壓為17V，蓄電池的電壓為10～14V。 不同的蓄電池其充/放電特性是不同的，若為小容量蓄電池，當(dāng)接通太陽能電池板與蓄電池后，蓄電池的電壓會在很短時間內(nèi)被電池板充到14V，若不加控制，蓄電池電壓甚至?xí)?，我們判斷蓄電池是否已充滿的標(biāo)準(zhǔn)就是檢測蓄電池的電壓值，實際上在這種方式下檢測出的結(jié)果是不準(zhǔn)確的，因為此時檢測到的蓄電池電壓是虛電壓，而等電池穩(wěn)定后，再測量電壓，會發(fā)現(xiàn)電壓下降了許多。我們加入控制器的目的就是當(dāng)檢測到蓄電池電壓達(dá)到一定值時，使用控制器控制連接太陽能電池板與蓄電池之間的MOS管的開關(guān)，以一種脈寬調(diào)制的方式，降低充電電流以進(jìn)一步為蓄電池充電，直到最后用很微小的電流將蓄電池電壓維持在某一固定值。控制負(fù)載時需要注意，當(dāng)蓄電池電壓放電到一定電壓值以下時，要關(guān)斷負(fù)載，以保護(hù)蓄電池不能太過放電，若控制器控制充電部分電路出現(xiàn)問題，蓄電池電壓將有可能一直被充到 16V 以上，這樣的電壓連接負(fù)載時，極有可能燒毀負(fù)載，因此，也要保證當(dāng)蓄電池電壓高于一定電壓值時同樣要關(guān)斷負(fù)載。

二、太陽能控制器電路功能：

（1）要能自動檢測太陽能電池板電壓是否高于蓄電池電壓，若高于蓄電池電壓，則可開啟充電：若低于蓄電池電壓，則不能開啟充電，否則蓄電池電流會反向流向太陽能電池板而造成電量損耗。

（2）負(fù)載放電電流達(dá)到12A時控制器通過蜂鳴器報警，提示用戶負(fù)載已經(jīng)過載請降低負(fù)載功率運行;當(dāng)放電電流達(dá)到15A時，控制器會自動切斷負(fù)載輸出，以保護(hù)控制器不被燒壞。切斷負(fù)載輸出后，控制器要能夠自動檢測負(fù)載功率，當(dāng)負(fù)載功率降低到額定功率以下時，控制器又可自動開啟負(fù)載。

（3）當(dāng)蓄電池電壓低于10.8V時，自動關(guān)斷負(fù)載（欠壓關(guān)斷），同時有報警提示：當(dāng)從低于10.8V回升到13.2V時自動接通負(fù)載（欠壓恢復(fù)）。

（4）當(dāng)蓄電池電壓高于14.8V 時，自動關(guān)斷負(fù)載（過壓關(guān)斷），同時有報警提示：當(dāng)從高于14.8V回落到14.7V時自動接通負(fù)載（過壓恢復(fù)）。

（5）當(dāng)蓄電池處于浮充狀態(tài)時電壓值控制在13.7V。

（6）當(dāng)用戶將太陽能電池板接反至控制器時，要有報警功能，并且具有保護(hù)控制器不被毀壞的功能。

（7）當(dāng)用戶將蓄電池接反至控制器時，要有報警功能，并且具有保護(hù)控制器不被毀壞的功能。

（8）當(dāng)負(fù)載發(fā)生短路時，控制器要具有自我保護(hù)能力，同時能檢測出短路狀態(tài)并給予報警提示：當(dāng)短路解除時能夠自動恢復(fù)正常功能。

（9）不同的溫度對蓄電池的浮充電壓點是不同的，要有自動檢測溫度功能，并且能夠自動調(diào)節(jié)蓄電池的各個電壓點。

三、太陽能控制器電源轉(zhuǎn)換及控制部分電路分析。

主控芯片U1采用STCI2C5412AD單片機(jī)，該芯片帶有4路PWM輸出，這里使用其中一路PWM控制充電MOS管的開關(guān)。自帶8路10位AD，用來采集系統(tǒng)中所有需要處理的模擬信號。

串口通信部分采用MAX232芯片進(jìn)行TTIL電平和RS-232電平之間的轉(zhuǎn)換，加入串口的目的主要有三個： 一是給單片機(jī)下載程序;二是使控制器具有遠(yuǎn)程通信或遠(yuǎn)程監(jiān)控的功能;三是將控制器每天采集到的數(shù)據(jù)的極限值和發(fā)生異常狀態(tài)時的數(shù)據(jù)記錄在其內(nèi)部的EPROM中，當(dāng)工作人員需要查看數(shù)據(jù)時，可直接通過串口讀取數(shù)據(jù)。

上圖為電源轉(zhuǎn)換及控制部分電路。蓄電池正極從二極管DD6的陽極接入，DD6為防電源反接構(gòu)成反向回路設(shè)計。Q3， R16，DW2 為一級降壓電路， 將蓄電池電壓鉗位在9.4V左右。DW2為10V穩(wěn)壓管，當(dāng)蓄電池電壓高于10V時，通過三極管Q3和穩(wěn)壓管DW2后降壓到9.4V。降壓到9.4V的原因是，三極管的基極電壓被穩(wěn)壓管穩(wěn)定在10V，通過BE極之間的PN結(jié)后電壓下降0.6V，所以為9.4V。然后通過二級降壓電路R17，Q4和DW3將輸出電壓鉗位到5V，這5V電壓用來給單片機(jī)系統(tǒng)提供電源。兩級降壓電路中使用三極管的作用是為了擴(kuò)流，單純用穩(wěn)壓管同樣也可以穩(wěn)壓到期望的電壓值，可是輸出的電流會非常小，以至根本無法帶負(fù)載。

電阻R25， R26 和二極管DD8用來檢測太陽能電池板電壓值，標(biāo)號“PV-”為太陽能電池板負(fù)極，“JCPV” 接單片機(jī)A/D輸入口。當(dāng)“PV-"電壓等于或大于“BAT-"電壓時，說明太陽能電池板電壓等于或小于蓄電池電壓，這時不能開啟充電控制。

R12，R13， R14， R15， DW1，Q2， T1為控制負(fù)載開關(guān)電路。DW1 用來保證MOS管與GS之間電壓最大不得超過10V，否則會損壞MOS管。三極管Q2導(dǎo)通時，MOS 管T1關(guān)閉; Q2不導(dǎo)通時，MOS管T1開啟。標(biāo)號“ADC1"有三個作用，一用于單片機(jī)控制負(fù)載通斷;二用于采集MOS管在開啟狀態(tài)下的DS壓降，從而檢測負(fù)載消耗電流大小;三當(dāng)負(fù)載過載或短路時，“ADC1”由硬件自動使MOS關(guān)閉，從而保護(hù)MOS管及負(fù)載的進(jìn)一步損壞。

R21， R20用來啟動硬件自動關(guān)閉充電，當(dāng)太陽能電池板電壓低于蓄電池電壓時，可由“PV-”直接控制Qs三極管，Q6的控制將失效。

T2， T3兩個MOS管對接才可有效控制充電回路，因為MOS管內(nèi)部自身會有一個二極管，N溝道為S指向D，P溝道為D指向S。DW4為T2和T3 MOS管穩(wěn)壓。T2 和T3 MOS管的開/關(guān)由Qs和Q。兩個三極管的狀態(tài)共同決定。

參考文獻(xiàn)：

[1]郭天祥《新概念51單片機(jī)C語言教程.入門、提高、開發(fā)》北京 電子工業(yè)出版社 2009.

作者簡介：覃猛，1981年1月，男，廣西來賓，廣西工商技師學(xué)院，高級講師 ，電子技術(shù)、家用電器、數(shù)碼產(chǎn)品、電腦硬件技術(shù)。