李中望

（蕪湖職業(yè)技術(shù)學(xué)院電氣工程學(xué)院，安徽 蕪湖 241006）

一種太陽能充電控制器電路的設(shè)計與仿真

李中望

（蕪湖職業(yè)技術(shù)學(xué)院電氣工程學(xué)院，安徽 蕪湖 241006）

所討論的太陽能充電控制電路選擇Cuk電路實現(xiàn)升降壓變化，完成恒壓充電，通過控制功率開關(guān)管的導(dǎo)通與關(guān)斷來實現(xiàn)電壓的變換，調(diào)節(jié)占空比來調(diào)節(jié)輸出電壓.運(yùn)用MATLAB軟件對充電控制電路進(jìn)行仿真，以為電路結(jié)構(gòu)設(shè)計與參數(shù)設(shè)置提供重要依據(jù).

太陽能；充電；仿真

我國幅員遼闊，擁有豐富的太陽能資源.隨著科技的飛速發(fā)展.太陽能的應(yīng)用越來越廣泛，相關(guān)領(lǐng)域的產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程不斷深入推進(jìn)，基于這種可再生新能源的發(fā)電成本也在逐漸地下降，目前在很多地方已經(jīng)實現(xiàn)較大規(guī)模的應(yīng)用.進(jìn)入“十二五”發(fā)展周期后，我國的太陽能光伏產(chǎn)業(yè)已經(jīng)形成一定的國際競爭力.

1 電能儲能裝置

目前，太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)中應(yīng)用最多的儲能裝置為鉛酸蓄電池，該種電池?fù)碛休^長的使用年限和較寬的溫度范圍，近年來在光伏發(fā)電系統(tǒng)中有著極為廣泛的應(yīng)用［1］.但目前蓄電池組造價相對較高，而蓄電池頻繁的充放電導(dǎo)致使用壽命只有5年左右，如果能采用較好的充電方式，可以將使用年限至少提高20年.因此，為了保障蓄電池的優(yōu)良工作性能，對蓄電池進(jìn)行合理科學(xué)的充電控制十分關(guān)鍵.一般來說，充電方式包括浮充充電、均衡充電、循環(huán)充電等方式，在外界溫度一定時，如果充電電壓控制不好都會出現(xiàn)各種問題.如果電壓過高，充電電流會顯著變大，有可能會導(dǎo)致熱失控現(xiàn)象，甚至是發(fā)生過充損壞［2］.當(dāng)鉛酸蓄電池放電之后，就應(yīng)該立刻進(jìn)入充電狀態(tài)，在充電初始階段，應(yīng)盡力將電流控制在0.2 C以下（C表示蓄電池額定容量），而當(dāng)檢測到電流有變小趨勢時，應(yīng)逐步將充電電壓提升至均充電壓值，充滿6 h左右，調(diào)整恢復(fù)至浮充電壓值.

2 充電控制器電路設(shè)計

圖1 鉛酸蓄電池充放電時的電壓變化

本文應(yīng)用DC/DC變換器構(gòu)建充電電路，為蓄電池充電，實現(xiàn)太陽能蓄電池智能充電控制，有效提高電池的利用率.蓄電池內(nèi)部有兩對極板（正極板和負(fù)極板）.當(dāng)給電池充電時，正極板上的PbO變成PbO2，則負(fù)極板上的PbO變成金屬Pb.電池在放電過程中，正極板上的PbO2發(fā)生還原反應(yīng)，還原成PbSO4；負(fù)極板的Pb則被氧化成PbSO4.充電電池的充放電幾乎都是通過電化學(xué)反應(yīng)完成.

充放電過程中的電壓變化如圖1所示.在充電初始階段，端電壓提升較快；充電過程持續(xù)一定時間后（ab段），電壓增長緩慢，在充電過程的中后階段，電池內(nèi)部的正負(fù)極分別還原為PbO2和金屬Pb.當(dāng)電壓增加到2.5～2.6 V時，假如繼續(xù)充電，PbO2和海綿狀Pb都還原，水解也慢慢地飽和，電壓大小恒定在2.7 V左右；如果充電停止，電池的電壓將會回落到2.3 V左右，最終的端電壓逐漸減小穩(wěn)定在2.06 V左右.因此，選擇合適的電路拓?fù)浞浅Ｖ匾?通常情況下，太陽能電池的輸出電壓有比較大的變化，常見的Buck變換器或Boost變換器只能夠完成單一的電池電壓的增大或減小，如果采用，那么光伏電池將不可能在較大的范圍內(nèi)始終在最大功率點(diǎn)處工作，結(jié)果會造成系統(tǒng)效率的下降［3］.電池的使用壽命也將受到直接影響.綜合以上分析，本文應(yīng)用的是兼具升壓和降壓功能的Cuk變換器，通過合理地設(shè)計，可實現(xiàn)在寬范圍內(nèi)完成最大功率點(diǎn)跟蹤（MPPT），系統(tǒng)效率顯著提高.設(shè)計的Cuk充電控制器主電路如圖2所示.

圖2 充電控制器主電路

在負(fù)載電流連續(xù)的情況下，根據(jù)VT管的開關(guān)狀態(tài)不同，系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)工作模式主要分為以下兩種情況：

（1）VT管導(dǎo)通時

電感L1在輸入電流的作用下儲存磁場能；C2電容的電壓將會使二極管D2反向偏置，進(jìn)入到截止?fàn)顟B(tài)，而C2將放電，放電電流將使L2儲存磁場能，同時輸出電流給負(fù)載，相應(yīng)電路如圖3（a）所示［4］.

（2）VT管截止時

C2將被充電，同時使得二極管D正向偏置導(dǎo)通開始續(xù)流，電源和L1共同給電容C2充電，而L2維持向負(fù)載輸出電流，相應(yīng)電路如圖3（b）所示［5］.

電源處于穩(wěn)態(tài)運(yùn)行狀態(tài)時，一個單位開關(guān)周期內(nèi)，電路中各量滿足以下關(guān)系式：

由于電荷常數(shù)一般取值較大，而且考慮到開關(guān)頻率是比較高的，所以電容電壓可以認(rèn)為近似恒定，

圖3 Cuk變換器穩(wěn)態(tài)工作模式等效電路圖

則由式（1）可得

同理，在一個開關(guān)周期內(nèi)，可以歸納出：

由上式可以得出：

由式（3）和式（4）可歸納出輸入電壓us和輸出電壓u0之間的比例關(guān)系為：

3 MATLAB仿真分析

結(jié)合以上的理論分析，運(yùn)用目前通用的仿真軟件MATLAB，建立出基于SIMULINK的Cuk充電控制器的仿真模型，如圖4所示.在模型中，輸入和輸出端都專門串聯(lián)了電感，而電感L2和電容C2憑借自身的濾波作用，有效減少了負(fù)載的電壓及電流的波動［6］.特別需要指出的是，本仿真模型開關(guān)器件采用的是MOSFET.電池電壓設(shè)為100 V，開關(guān)頻率取50 kHz.電感L1，L2設(shè)為100 mH/3A，電容C1容量設(shè)為1 000μF，C2取容量為1μF的濾波電容.

圖4 Cuk充電控制器仿真模型

圖5是PWM占空比為60%時的輸出電壓的波形.經(jīng)過仿真，可以驗證電路此時工作在升壓狀態(tài)，輸出電壓穩(wěn)定在120 V左右.由仿真波形上可以看出，Cuk電路擁有比Boost等電路更好的升壓效果，由于設(shè)置在輸出端的L2和C2的濾波效果，使得輸出的電壓波動較小.如果進(jìn)一步調(diào)節(jié)PWM占空比，降低到20%時，仿真波形如圖6所示，輸出最高穩(wěn)定電壓36 V左右，此時電路工作在降壓狀態(tài).

圖5 脈寬60%時電壓波形

圖6 脈寬20%時電壓波形

4 結(jié)語

當(dāng)前太陽能電池充電控制通常應(yīng)用傳統(tǒng)的蓄電池充電方案，即先以最大的電流給蓄電池充電，當(dāng)達(dá)到額定電壓值時，采取停止充電或小電流浮充的方式，直至電池充滿為止.這些方案實施簡單，易于實現(xiàn).考慮到實際情況中，光伏電池輸出性質(zhì)會受到外界環(huán)境的影響，傳統(tǒng)方法并不能使光伏電池輸出最大電流，充電時間會延遲.本文討論了一種充電控制電路，選擇Cuk電路作為DC/DC變換拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)完成恒壓充電，可通過控制功率開關(guān)管的導(dǎo)通與關(guān)斷來實現(xiàn)電壓的變換，運(yùn)用MATLAB軟件對充電控制電路進(jìn)行仿真，觀測相關(guān)輸出波形，從而為電路結(jié)構(gòu)設(shè)計與參數(shù)設(shè)置提供重要的依據(jù).

［1］ 邢運(yùn)民.現(xiàn)代能源與發(fā)電技術(shù)［M］.西安：西安電子科技大學(xué)出版社，2007.

［2］ 王東.太陽能光伏發(fā)電技術(shù)與系統(tǒng)集成［M］.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2011.

［3］ 惠晶.新能源轉(zhuǎn)化與控制技術(shù)［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2010.

［4］ 洪乃剛.電力電子技術(shù)基礎(chǔ)［M］.北京：清華大學(xué)出版社，2008.

［5］ 陳堅.電力電子學(xué)［M］.北京：高等教育出版社，2002.

［6］ 趙廣元.MATLAB與控制系統(tǒng)仿真實踐［M］.北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2009.

［責(zé)任編輯馬云彤］

On the Design and Simulation of a Solar-Charging Controller Circuit

LIZhong-wang

（School of Electrical Engineering，Wuhu Institute of Technology，Wuhu 241006，China）

This study is on the solar-charging controller circuitwhich selects the Cuk circuit to realize the pressure changes and charging under a constant voltage，to switch voltage by controlling the conduction and time ratio of the power switch，and to regulate the voltage output by adjusting the duty cycle.MATLAB software is applied to simulate the charging control circuit. The study is an effort to provide important data for the design and parameter setting of circuit structure.

solar energy；charging；simulation

TM914.4

A

1008-5564（2015）02-0033-04

2014-12-20

安徽省高校優(yōu)秀青年人才支持計劃資助項目（2014198）；蕪湖職業(yè)技術(shù)學(xué)院教科研項目（WZ［2014］jy01）

李中望（1982—），男，安徽蕪湖人，蕪湖職業(yè)技術(shù)學(xué)院電氣工程學(xué)院講師，碩士，主要從事自動控制技術(shù)研究.