張佳民，翟成強(qiáng)，洪軒，廖盼盼

(上海電力學(xué)院自動(dòng)化工程學(xué)院，上海200090)

太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)中蓄電池充電控制器的設(shè)計(jì)

張佳民，翟成強(qiáng)，洪軒，廖盼盼

(上海電力學(xué)院自動(dòng)化工程學(xué)院，上海200090)

為了將太陽(yáng)能這種綠色新型可再生能源轉(zhuǎn)換成能夠直接使用的電能，方便中小功率用戶的使用，設(shè)計(jì)了一種基于太陽(yáng)能發(fā)電的蓄電池充電控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)由太陽(yáng)電池、蓄電池、充電控制器以及相應(yīng)的蓄電池電壓檢測(cè)電路、充放電電路和負(fù)載保護(hù)電路等組成。測(cè)試結(jié)果表明，太陽(yáng)能充電系統(tǒng)可以可靠有效工作，滿足為中小功率負(fù)載供電的設(shè)計(jì)目的。

太陽(yáng)能；太陽(yáng)電池；蓄電池；充電控制器

太陽(yáng)能是一種新興的可再生能源，具有綠色環(huán)保、無(wú)污染、可直接利用等優(yōu)點(diǎn)。由于太陽(yáng)電池的輸出電壓受光照強(qiáng)度的影響，電壓值不穩(wěn)定，因此太陽(yáng)電池通常不能直接向用電器供電，必須將太陽(yáng)電池獲得的電能通過(guò)充電控制器儲(chǔ)存到蓄電池中，然后通過(guò)蓄電池向負(fù)載供電。蓄電池充電控制器性能的好壞對(duì)蓄電池的使用壽命有著最直接的影響，因此，本系統(tǒng)中的充電控制器對(duì)蓄電池的充電條件和放電條件都予以限制，通過(guò)蓄電池電壓檢測(cè)電路實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)蓄電池的輸出電壓，有效避免了蓄電池發(fā)生過(guò)充和過(guò)放現(xiàn)象。同時(shí)，系統(tǒng)采取PWM脈寬調(diào)制充電方法，能夠很大程度提高充電效率，并對(duì)蓄電池起到很好的保護(hù)[1]。

1 基于太陽(yáng)電池的蓄電池充電控制系統(tǒng)

1.1 系統(tǒng)硬件方案總體設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)的蓄電池充電控制器采用C8051F040單片機(jī)為核心，以Buck電路為主電路，單片機(jī)根據(jù)采集得到的電壓電流信號(hào)來(lái)執(zhí)行預(yù)先設(shè)定的充電控制策略，實(shí)現(xiàn)太陽(yáng)電池的輸出特性與蓄電池充電方式的合理配合，使系統(tǒng)盡可能發(fā)揮自身的優(yōu)越性。蓄電池充電控制系統(tǒng)的工作原理框圖如圖1所示。

由圖1可知，充電電路主要由DC/DC變換電路組成，本系統(tǒng)采用Buck電路作為DC/DC變換電路。通過(guò)采樣電路采集太陽(yáng)電池的端電壓和電流，把采集信號(hào)送到單片機(jī)進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，根據(jù)采集數(shù)據(jù)充電控制器輸出PWM脈寬調(diào)制控制信號(hào)，此信號(hào)通過(guò)功率放大驅(qū)動(dòng)功率開(kāi)關(guān)器件，實(shí)現(xiàn)電壓調(diào)整?？刂破魍瑫r(shí)也要檢測(cè)蓄電池的端電壓及充電電流，以此來(lái)判斷蓄電池當(dāng)前的電量，從而防止過(guò)充或過(guò)放。

圖1 蓄電池充電控制系統(tǒng)

1.2 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)

1.2.1 蓄電池電壓檢測(cè)電路設(shè)計(jì)

蓄電池是整個(gè)系統(tǒng)的重要組成部分，對(duì)蓄電池的保護(hù)至關(guān)重要，因此充電系統(tǒng)要對(duì)蓄電池端電壓進(jìn)行在線檢測(cè)。控制器通過(guò)采集蓄電池端電壓信號(hào)，根據(jù)蓄電池端電壓的大小決定充電策略，防止蓄電池過(guò)充過(guò)放，從而保護(hù)蓄電池，延長(zhǎng)其使用壽命。蓄電池電壓檢測(cè)電路如圖2所示。

圖2 蓄電池電壓檢測(cè)電路

蓄電池電壓檢測(cè)電路主要是采集蓄電池的端電壓信號(hào)，選擇蓄電池的負(fù)極作為整個(gè)檢測(cè)電路的零電位點(diǎn)[2]，如圖2所示。由于蓄電池充滿時(shí)的電壓為14.2 V，即蓄電池最大輸出電壓為14.2 V，因此利用2個(gè)固定電阻R1和R2分壓，并通過(guò)可變電阻Rs進(jìn)行調(diào)節(jié)，可以使加在運(yùn)算放大器同相輸入端的電壓穩(wěn)定在3.3 V以下，通過(guò)電壓跟隨器將該電壓輸出至控制器的PCI口，控制器單元內(nèi)部電壓要求是0～3.3 V，完全滿足要求。通過(guò)PCI口讀入實(shí)時(shí)電壓數(shù)據(jù)，通過(guò)內(nèi)部模數(shù)轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，然后經(jīng)過(guò)控制器的分析，從而判斷蓄電池當(dāng)前的電量狀態(tài)。

具體方案是控制器內(nèi)部將采集到的電壓信號(hào)經(jīng)過(guò)計(jì)算還原到蓄電池真實(shí)的電壓，當(dāng)檢測(cè)到蓄電池的電壓小于10.5 V時(shí)，開(kāi)關(guān)管始終接通，即采取全通充電方式。如果檢測(cè)到蓄電池電壓大于10.5 V并小于14.2 V時(shí)采取脈寬調(diào)制方式充電。隨著蓄電池電壓的增加，脈寬不斷變窄，直到蓄電池端電壓上升為14.2 V時(shí)，脈寬減小為0停止充電。脈寬調(diào)制方式的實(shí)現(xiàn)是由軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)的。

1.2.2 充放電電路設(shè)計(jì)

在充放電模塊設(shè)計(jì)中，本文采用功率場(chǎng)效應(yīng)管作為充放電電路中的開(kāi)關(guān)器件[3]。充放電控制電路如圖3所示。開(kāi)關(guān)Q5導(dǎo)通時(shí)，太陽(yáng)能極板和蓄電池構(gòu)成回路，太陽(yáng)能極板對(duì)蓄電池進(jìn)行充電；開(kāi)關(guān)Q5斷開(kāi)時(shí)，太陽(yáng)能極板與蓄電池?cái)嗦罚Ｖ箤?duì)蓄電池的充電。

圖3 充放電控制電路

蓄電池充電控制：當(dāng)OP1輸出低電平時(shí)，Q1、Q2均截止，導(dǎo)致Q3導(dǎo)通，Q4截止，從而Q5導(dǎo)通，蓄電池負(fù)端連接到太陽(yáng)電池負(fù)端，此時(shí)太陽(yáng)電池向蓄電池充電；當(dāng)OP1輸出高電平時(shí)，Q1、Q2均導(dǎo)通，導(dǎo)致Q3截止，Q4導(dǎo)通，從而Q5截止，蓄電池負(fù)端與太陽(yáng)電池負(fù)端斷開(kāi)，此時(shí)太陽(yáng)電池停止向蓄電池充電。OP1高低電平的輸出選擇通過(guò)控制器的軟件實(shí)現(xiàn)，控制器通過(guò)采集到的蓄電池端電壓和太陽(yáng)電池電壓信號(hào)來(lái)決定是否向蓄電池充電。

蓄電池放電控制：當(dāng)OP2輸出低電平時(shí)，導(dǎo)致Q6截止，Q7導(dǎo)通，負(fù)載的負(fù)端與蓄電池的負(fù)端連接在一起，此時(shí)蓄電池處于供電狀態(tài)，向負(fù)載供電；當(dāng)OP2輸出高電平時(shí)，導(dǎo)致Q6導(dǎo)通，Q7截止，負(fù)載的負(fù)端與蓄電池的負(fù)端斷開(kāi)，此時(shí)蓄電池停止向負(fù)載供電。OP2的高低電平輸出選擇同樣通過(guò)控制器的軟件來(lái)控制。

2 蓄電池充放電策略及軟件系統(tǒng)

2.1 蓄電池充放電策略

本文選用PWM脈寬調(diào)制充電法，PWM脈寬調(diào)制充電方式首先對(duì)電池充電一段時(shí)間，然后讓電池停止充電一段時(shí)間，如此循環(huán)往復(fù)。這種PWM脈寬調(diào)制充電方式使蓄電池有充分的反應(yīng)時(shí)間，提高了蓄電池充電效率。

對(duì)于太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)中的蓄電池來(lái)說(shuō)，在光照較強(qiáng)的白天，若蓄電池發(fā)生過(guò)充，充電控制器會(huì)根據(jù)蓄電池的電壓來(lái)控制太陽(yáng)能極板與蓄電池的通斷占空比，并保持一段時(shí)間，激活蓄電池，最后降到浮充電壓并保持。若未發(fā)生過(guò)充，就無(wú)需提升充電電壓，以免蓄電池失水，這些自動(dòng)控制過(guò)程將使蓄電池達(dá)到最佳充電效果并延長(zhǎng)其使用壽命[4]。在光照較弱的黑夜，蓄電池主要向負(fù)載供電，同樣要檢測(cè)蓄電池電壓，當(dāng)電壓到達(dá)設(shè)定的最低放電電壓時(shí)，控制器會(huì)自動(dòng)切斷負(fù)載來(lái)保護(hù)電池不被過(guò)放電。只有當(dāng)蓄電池再次被充電后的電壓達(dá)到控制器設(shè)定的啟動(dòng)電壓時(shí)，負(fù)載才會(huì)被再次接通。

2.2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)開(kāi)始工作后，先檢測(cè)太陽(yáng)電池電壓是否達(dá)到充電電壓，如果己經(jīng)達(dá)到充電電壓，則轉(zhuǎn)入蓄電池電量狀態(tài)計(jì)算子程序和脈沖寬度子程序，完成對(duì)蓄電池的充電控制，否則繼續(xù)檢測(cè)太陽(yáng)電池電壓，直到其電壓達(dá)到充電電壓為止，軟件總體設(shè)計(jì)、蓄電池電量狀態(tài)子程序以及脈寬調(diào)制子程序的原理圖分別如圖4～6所示。

圖4 軟件總體設(shè)計(jì)原理圖

圖5 蓄電池電量狀態(tài)子程序

圖6 脈寬調(diào)制子程序

3 測(cè)試結(jié)果與分析

3.1 充電系統(tǒng)空載和帶小負(fù)載狀態(tài)充電測(cè)試

實(shí)驗(yàn)所用的太陽(yáng)電池輸出最大功率為38 W，標(biāo)稱(chēng)工作電壓為17.5 V，開(kāi)路電壓為21.5 V，滿足向蓄電池充電的電壓要求。蓄電池額定電壓為12 V，額定電流為8 A。

空載實(shí)驗(yàn)當(dāng)天的天氣情況：天氣晴朗，空中云層較少，光照充足，溫度為25～35℃。蓄電池初始電壓為9.78 V，負(fù)載回路斷開(kāi)，從上午9點(diǎn)開(kāi)始，每隔10 min測(cè)量一次蓄電池電壓，直到電壓達(dá)到最大且保持不變，記錄下每次測(cè)量的電壓值和對(duì)應(yīng)的時(shí)間。經(jīng)整理繪圖，得到空載狀態(tài)下蓄電池充電曲線如圖7(a)所示。帶小負(fù)載實(shí)驗(yàn)當(dāng)天的天氣情況和空載時(shí)基本一致，只是在負(fù)載回路串聯(lián)一個(gè)5 W的小燈泡。蓄電池初始電壓為9.80 V。同樣從上午9點(diǎn)開(kāi)始，數(shù)據(jù)記錄方式同空載實(shí)驗(yàn)保持不變。經(jīng)整理繪圖，得到帶載狀態(tài)下蓄電池充電曲線如圖7(b)所示。

圖7 蓄電池充電曲線圖

在天氣情況和蓄電池初始電壓基本相同的條件下，由充電曲線可知，空載狀態(tài)下的蓄電池充滿電的時(shí)間為6 h，而帶小負(fù)載的蓄電池所需的充電時(shí)間更長(zhǎng)，為8 h，但無(wú)論是空載還是帶載實(shí)驗(yàn)，蓄電池的充電過(guò)程基本一致，且蓄電池充滿電的電壓均穩(wěn)定在14.2 V。因此，該充電控制系統(tǒng)工作正常，且性能穩(wěn)定可靠，可以滿足向小功率負(fù)載供電的要求。該光伏系統(tǒng)中的蓄電池充電過(guò)程與一般充電率時(shí)的蓄電池充電過(guò)程一致，充電時(shí)間較短且對(duì)蓄電池的保護(hù)做得更好。

3.2 大負(fù)載下放電控制測(cè)試

為了檢查蓄電池的電量是否正常，本文采用10小時(shí)率[5]放電。將充滿電的蓄電池的負(fù)載回路中接入10 Ω的電阻，每隔15 min測(cè)量一次蓄電池端電壓，通過(guò)計(jì)算蓄電池放出電量，對(duì)照測(cè)量得到的電壓，判斷蓄電池電量是否正常。放電過(guò)程中蓄電池端電壓變化曲線如圖8所示。

圖8 蓄電池放電電壓變化曲線

由放電曲線可知，蓄電池由充滿電狀態(tài)經(jīng)過(guò)10小時(shí)率放電的最終電壓為7.8 V，仍大于設(shè)定的最低放電電壓，且每一小時(shí)時(shí)段放電結(jié)束后的電壓經(jīng)過(guò)換算，蓄電池的剩余電量均在正常水平以上，最終放電結(jié)束后蓄電池的剩余電量仍然超過(guò)充滿電量的50%。因此，該充電控制器很好地限制了蓄電池的放電條件，根據(jù)蓄電池電壓檢測(cè)電路采集到的實(shí)時(shí)電壓數(shù)據(jù)，合理地控制蓄電池的放電過(guò)程，有效避免了蓄電池發(fā)生過(guò)放電現(xiàn)象。

4 結(jié)語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)的太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)中的蓄電池充電控制器以單片機(jī)為核心，經(jīng)過(guò)調(diào)試運(yùn)行，其效果完全滿足系統(tǒng)給定的功能要求。充電控制器對(duì)蓄電池的充放電條件均予以限制，保證蓄電池不會(huì)發(fā)生過(guò)充或過(guò)放，有效地保護(hù)了蓄電池，提高了系統(tǒng)的可靠性。測(cè)量結(jié)果表明，太陽(yáng)電池工作輸出電壓在14.5～21.5 V，滿足向蓄電池充電的要求，蓄電池充滿電的電壓穩(wěn)定在14.2 V。系統(tǒng)運(yùn)行結(jié)果完全按照設(shè)計(jì)要求，控制器根據(jù)蓄電池剩余電量來(lái)控制充電或放電的運(yùn)行，蓄電池剩余電量基本不低于50%，有效降低了電池?fù)p耗，保證了系統(tǒng)可以長(zhǎng)期可靠使用。

[1]趙禹唐，王希業(yè).蓄電池充電技術(shù)[J].電源技術(shù)，2001，25(5)：375-377.

[2]盧漢輝.蓄電池組充電管理系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)的研究[D].上海：上海交通大學(xué)，2007：38-43.

[3]盧琳，受?chē)?guó)華，張仕文.基于MPPT的智能太陽(yáng)能充電系統(tǒng)研究[J].電力電子技術(shù)，2006，41(2)：96-98.

[4]謝歆.鉛酸蓄電池的荷電狀態(tài)指示儀研究[D].安徽：安徽理工大學(xué)，2003：5-8.

[5]王菊芬.光伏發(fā)電系統(tǒng)中影響蓄電池壽命因素分析[J].蓄電池，2002(2)：51-54.

Design of battery charging controller in solar photovoltaic power generation system

ZHANG Jia-min,ZHAI Cheng-qiang,HONG Xuan,LIAO Pan-pan
(School of Automation Engineering,Shanghai University of Electric Power,Shanghai 200090,China)

In order to convert solar energy which is a kind of green and renewable energy into the electricity that can be directly used,making it convenient for small and medium power users,a practical battery charging system based on solar cells was designed.This solar charge system consists of solar cells,battery,charge controller and corresponding battery voltage detection circuit,charge and discharge circuit and load protection circuit.The test results show that the solar charging system can work reliably and efficiently,meeting the power supply need for small and medium power load.

solar energy;solar cells;battery;charge controller

TM 914

A

1002-087 X(2016)08-1648-03

2016-01-16

上海市電站自動(dòng)化技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(13DZ2273800)

張佳民(1970—)，女，黑龍江省人，副教授，碩士，主要研究方向?yàn)閭鞲衅?、檢測(cè)與儀表以及電能質(zhì)量分析。