趙 希

（國(guó)網(wǎng)徐州供電公司）

基于ARM的獨(dú)立型光伏充電系統(tǒng)研究

趙 希

（國(guó)網(wǎng)徐州供電公司）

光伏系統(tǒng)目前的主要問題是電池的轉(zhuǎn)換效率低且價(jià)格昂貴，因此如何在現(xiàn)有的光電轉(zhuǎn)換技術(shù)的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步提高太陽(yáng)能電池的轉(zhuǎn)換效率，充分利用光伏陣列所轉(zhuǎn)換的能量，一直是光伏系統(tǒng)研究的重要方向。本文從太陽(yáng)能電池的特性出發(fā)，對(duì)于如何提高太陽(yáng)能電池的能量轉(zhuǎn)換效率，進(jìn)行了有益的探討，設(shè)計(jì)了基于ARM的儲(chǔ)能型獨(dú)立光伏發(fā)電系統(tǒng)的軟硬件部分。主要包括電源模塊、信號(hào)采集模塊、A/D模塊、PWM驅(qū)動(dòng)模塊。在總結(jié)分析已有的蓄電池充電方法的前提下，針對(duì)光伏系統(tǒng)提出了一種結(jié)合MPPT和蓄電池充電的優(yōu)化控制策略，并對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行了分析。

ARM；優(yōu)化充電；獨(dú)立光伏系統(tǒng)

0 引言

由于光伏電池呈現(xiàn)非線性特性，輸出容易受到太陽(yáng)光輻射和環(huán)境溫度的影響。通過常規(guī)的充電方法如恒壓、恒流和脈沖充電等都不能滿足系統(tǒng)的需求。系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)的目標(biāo)不僅在充電過程中最大限度地利用光伏陣列的輸出功率，而且要合理充電以減少充電損耗并延長(zhǎng)蓄電池的壽命。

對(duì)儲(chǔ)能型獨(dú)立光伏發(fā)電系統(tǒng)進(jìn)行較為深入的研究，以移植了VxWorks操作系統(tǒng)內(nèi)核的S3C44B0x嵌入式微處理器進(jìn)行控制。嵌入式微處理器具有體積小、重量輕、成本低、可靠性高等優(yōu)點(diǎn)，目前主要的嵌入式處理器類型有ARM、MIPS、Power PC、6800、386EX、SC-400系列等，其中ARM應(yīng)用范圍最廣泛?；贏RM內(nèi)核的處理器以其諸多優(yōu)異性能而成為各類產(chǎn)品中選用最多的處理器之一，以32位處理器作為高性能嵌入式系統(tǒng)開發(fā)的核心已經(jīng)是嵌入式技術(shù)發(fā)展的必然趨勢(shì)。

本文對(duì)儲(chǔ)能型獨(dú)立光伏發(fā)電系統(tǒng)的軟硬件部分進(jìn)行了設(shè)計(jì)。在研究蓄電池各類充電方法的基礎(chǔ)上，提出了一種結(jié)合蓄電池充電和MPPT功能的優(yōu)化充電方法。在Tornado集成開發(fā)環(huán)境中編寫應(yīng)用程序并進(jìn)行調(diào)試。

1 系統(tǒng)軟硬件設(shè)計(jì)

本節(jié)的主要內(nèi)容是設(shè)計(jì)儲(chǔ)能型獨(dú)立光伏發(fā)電系統(tǒng)的充電回路，并進(jìn)行軟硬件部分的設(shè)計(jì)。其中DC-DC電路選用Cuk電路，這里就不在贅述。系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。硬件設(shè)計(jì)主要包括如下模塊：電源模塊、信號(hào)采集模塊、LCD顯示模塊、A/D模塊及其PWM驅(qū)動(dòng)模塊?？刂撇糠植捎肧3C44B0x內(nèi)核芯片。

圖1 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)框圖

外圍電路主要包括電源模塊、信號(hào)采集模塊、MOS管驅(qū)動(dòng)模塊和TL494穩(wěn)壓模塊。

1.1 電源模塊

電源模塊的作用是為外圍電路的芯片器件提供電源。由于在外圍電路中需要用到傳感器和74系列元件，所以在電源模塊中包含了MC7805、7815和7915穩(wěn)壓模塊，如圖2所示。這里要注意濾波電解電容的極性連接問題。220V的電壓經(jīng)過變壓器后接至J1插座，然后經(jīng)過整流橋接到穩(wěn)壓模塊的輸入端。

圖2 電源模塊

1.2 信號(hào)采集模塊

信號(hào)采集模塊的作用為測(cè)量光伏電池側(cè)的電壓和電流、蓄電池側(cè)的電壓和電流信號(hào)。然后將采集的信號(hào)送到S3C44B0x的A/D模塊而后進(jìn)行處理。電壓信號(hào)可以采用簡(jiǎn)單的電阻分壓來采集。但是對(duì)于蓄電池側(cè)而言，由于參考地的問題蓄電池側(cè)的電壓為一浮動(dòng)電壓，所以不能采用電阻分壓進(jìn)行采集。為了解決這個(gè)問題，需用到電壓傳感器。電流信號(hào)的采集主要依靠電流傳感器。因?yàn)锳/D采集信號(hào)的范圍為0～2.5V。光伏電池的開路電壓為21.6V，為了滿足A/D采樣的范圍要求，光伏電池電壓需要通過10kΩ和1kΩ電阻進(jìn)行分壓。

接于蓄電池側(cè)的電壓傳感器的連線方式如圖3所示。

圖3 電壓傳感器的連接方式

1.3 PWM生成和MOS管驅(qū)動(dòng)模塊

PWM波通過S3C44B0x的PWM定時(shí)器編程產(chǎn)生。兩片TL494需要2路控制信號(hào)，其控制信號(hào)從S3C44B0x的I/O端口輸出。兩片TL494的輸出信號(hào)通過或門74HC32進(jìn)行或運(yùn)算，相比于或門74LS32，采用74HC32或門的優(yōu)點(diǎn)在于其是CMOS器件并且兼容TTL電平，或運(yùn)算的輸出與PWM波又進(jìn)行一次或運(yùn)算。然后或運(yùn)算輸出信號(hào)接到驅(qū)動(dòng)模塊IR2110的輸入端。下面對(duì)MOS管驅(qū)動(dòng)芯片IR2110[1-2]進(jìn)行介紹。

IR2110的具體應(yīng)用電路如圖4所示。

圖4 IR2110的具體應(yīng)用

1.4 TL494脈寬調(diào)制電路

TL494是一種固定頻率脈寬調(diào)制電路，它包含了開關(guān)電源控制所需的全部功能，廣泛應(yīng)用于半橋式、全橋式開關(guān)電源。TL494用在充電回路中作用是控制第二階段和第三階段的恒壓充電過程。

由于第二階段蓄電池恒壓充電電壓范圍為14.4～15V，本文取為15V。為了將其轉(zhuǎn)換成A/D采樣范圍內(nèi)的電壓值，需要經(jīng)過圖5所示的電路進(jìn)行轉(zhuǎn)換。

圖5 蓄電池電壓采集與轉(zhuǎn)換電路

電壓傳感器HNV025A輸出二次電壓Ui連到TL494的1腳。假設(shè)蓄電池電壓為U，一次外接電阻和內(nèi)阻之和為1.3+0.2=1.5kΩ。一次電流和二次電流比為2500：1000，二次電阻值為200Ω。所以從3端輸出的電壓值為：U／1.5×103×2.5×200 = U／3，LM324的作用是將 U／3的電壓1/2分壓后然后送到A/D采樣端，目的是為了滿足A/D轉(zhuǎn)換器0～2.5V輸入電壓范圍。

2 蓄電池充電

下面介紹蓄電池充電的普通常規(guī)充電方法，在此基礎(chǔ)上提出一種全新的結(jié)合MPPT和蓄電池充電的控制策略。

2.1 恒流充電

恒流充電[3]是用分段恒流的方法進(jìn)行充電。一般是通過充電裝置自身調(diào)整來實(shí)現(xiàn)的?？梢匀我膺x擇和調(diào)整充電電流，適應(yīng)性較強(qiáng)，特別適用于小電流長(zhǎng)時(shí)間充電，也有利于容量恢復(fù)較慢的蓄電池充電。缺點(diǎn)是初始充電電流過小，充電后期充電電流又過大，充電時(shí)間長(zhǎng)、析出氣體多、對(duì)極板的沖擊較大、能耗較高、效率較低。

2.2 恒壓充電

恒壓充電是指每只單格蓄電池均以一恒定電壓進(jìn)行充電。特點(diǎn)是：初始充電電流相當(dāng)大，蓄電池電動(dòng)勢(shì)和電解液體相對(duì)密度上升較快，隨著充電的延續(xù)，充電電流逐漸減小，在充電終期只有很小的電流通過；充電時(shí)間短、能耗低，一般充電4～5h蓄電池即可獲得本身容量的90%～95%。主要缺點(diǎn)為由于初始充電初電流過大，對(duì)放電深度過大的蓄電池充電時(shí)，會(huì)引起初始充電電流急驟上升，易造成被充蓄電池過流或充電設(shè)備損壞。

除了上述兩種傳統(tǒng)的方法外，為了縮短充電時(shí)間和提高充電的效率，提出了一些新穎的充電方法[4]。包括脈沖快速充電法、變電流間歇充電法、變電壓間歇充電法等。

2.3 優(yōu)化充電方法

由于光伏電池呈現(xiàn)非線性特性，輸出容易受到太陽(yáng)光輻射和環(huán)境溫度的影響。通過常規(guī)的充電方法如恒壓、恒流和脈沖充電等都不能滿足系統(tǒng)的需求。系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)的目標(biāo)不僅在充電過程中最大限度地利用光伏陣列的輸出功率，而且要合理充電以減少充電損耗并延長(zhǎng)蓄電池的壽命。下面介紹在光伏系統(tǒng)中結(jié)合MPPT控制和蓄電池充電的一類優(yōu)化充電方法[5－6]，此充電策略分為三個(gè)階段。

1）第一階段，剛放電后的蓄電池可接受電能能力強(qiáng)，此時(shí)采用MPPT控制算法。換言之也就是在Cuk充電回路中最大程度地利用光伏陣列的輸出功率。在此階段，蓄電池有很強(qiáng)的電流接受能力并且不容易被充壞。這里要注意充電電流要小于0.1C，即0.1×1.2=0.12A。過電流將使電解液溫度升高、極板彎曲變形、活性物質(zhì)脫落和正極板的腐蝕速度加快。這樣會(huì)縮短蓄電池的使用壽命。這一階段需要充到蓄電池額定容量的80%～90%。

2）第二階段采用PI恒壓控制調(diào)節(jié)。在這一階段中，隨著蓄電池電動(dòng)勢(shì)的升高電流值在下降。這樣會(huì)使電解液溫度降低、溢出的酸霧減少。能提高蓄電池充電過程中的性能、改善電池充電效率。此階段蓄電池需要充到其額定容量的97%以上。

3）第三階段當(dāng)蓄電池接近充滿時(shí)，進(jìn)入浮沖階段。此階段采用PI恒壓控制調(diào)節(jié)，小電流對(duì)蓄電池充電以補(bǔ)充自放電造成的電能損耗。

針對(duì)上文選定的蓄電池，循環(huán)使用時(shí)充電電壓范圍為14.4～15V；作為備用使用時(shí)（如應(yīng)急燈）充電電壓范圍為13.5～13.8V。第二階段恒壓電壓值設(shè)為15V，第三階段恒壓電壓值設(shè)為13.5V。

主程序的主要功能是控制蓄電池充電過程。第一階段，通過2個(gè)I/O端口控制TL494的死區(qū)控制端（4腳）使TL494無脈沖輸出。此時(shí)PWM波通過PWM定時(shí)器產(chǎn)生。初始占空比設(shè)為50%，周期為50μs 。然后通過采集光伏電池的電壓和電流信號(hào)進(jìn)行MPPT控制，MPPT控制算法選用爬山法。第二階段需要利用一片TL494進(jìn)行恒壓控制，此時(shí)S3C44B0x的PWM定時(shí)器端口需定義成普通的I/O口并賦0值，另一片TL494控制其無脈沖輸出（I/O口賦1值）。第三階段和第二階段相類似。

充電各階段的轉(zhuǎn)換可以用充電容量作為判據(jù)。對(duì)于新蓄電池而言，首先需對(duì)其進(jìn)行放電實(shí)驗(yàn)。本實(shí)驗(yàn)采用12V的直流風(fēng)扇作為負(fù)載，放電截至電壓設(shè)定為10.5V。通過電流傳感器對(duì)放電電流進(jìn)行采樣并送至A/D轉(zhuǎn)換器端口，電流對(duì)時(shí)間的積分即為放電容量。充電容量的計(jì)算與放電容量的計(jì)算如出一轍。充電容量可以進(jìn)行如下近似計(jì)算：

由于用到了4路ADC通道，進(jìn)行一次A/D轉(zhuǎn)換的時(shí)間為10.2 μs，ADC轉(zhuǎn)換通道時(shí)需要的等待時(shí)間設(shè)為15 μs。所以總的時(shí)間為4×（10.2+15）=100.8μs。此時(shí)間乘以蓄電池充電電流值，并進(jìn)行自加運(yùn)算，這樣可以近似求得蓄電池的充電電量。主程序流程圖如圖6所示。

3 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

最初實(shí)驗(yàn)選取的電流傳感器型號(hào)為HNC-03SY，其額定測(cè)量電流為3A，二次為電壓信號(hào)輸出，由于光伏電池輸出的電流很小，相比于3A的額定測(cè)量電流，數(shù)值偏差很大。并且二次輸出的電壓信號(hào)含有部分的噪聲。MPPT以兩個(gè)時(shí)刻的功率值進(jìn)行比較然后進(jìn)行控制，如果電流傳感器采集出來的信號(hào)不能如實(shí)反映光伏電池的輸出電流，MPPT控制功能有可能失效。為了解決這一問題，選取型號(hào)為QBC0.3A05的電流傳感器，額定測(cè)量電流為300mA，二次為電流信號(hào)輸出。通過兩次實(shí)驗(yàn)的對(duì)比發(fā)現(xiàn)更換電流傳感器之后，光伏電池電流測(cè)量的準(zhǔn)確度得到了提高。蓄電池放電至10.5V后，其電壓自恢復(fù)至11.84V。每隔兩分鐘記錄MPPT充電階段蓄電池電壓和充電電流數(shù)據(jù)。繪出蓄電池充電特性曲線，如圖7所示。

圖6 主程序流程圖

圖7 蓄電池充電特性曲線

通過第一階段MPPT充電的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可以得出如下結(jié)論：初始充電時(shí)，蓄電池接收電流能力較強(qiáng)，所以電壓上升速度比較快。充電中期隨著充電時(shí)間的增加，電壓緩慢地增加。充電后期電壓不是穩(wěn)步地上升，存在一個(gè)波動(dòng)的過程。從t=22∶54到t=22∶56時(shí)，蓄電池電壓從13.37V突增至14.03V，產(chǎn)生這一問題的原因可能由DC-DC電路的特性所決定。通過實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)第一階段充電過程中，光伏電池會(huì)隨著蓄電池充電電壓的上升不斷調(diào)整工作點(diǎn)，使其向最大功率點(diǎn)的方向運(yùn)動(dòng)，DC-DC電路能夠最大程度地利用光伏電池的輸出功率。通過第二階段近5h的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)可以得到：蓄電池電壓從14.74V開始上升并穩(wěn)定在14.87V。但是充電電流一直處于下降的過程，從51.5mA逐漸下降至31.2mA，這與蓄電池恒壓充電的特性相吻合。從而很好地驗(yàn)證了TL494恒壓電路設(shè)計(jì)的正確性。

4 結(jié)束語

本文對(duì)基于ARM的儲(chǔ)能型獨(dú)立光伏充電系統(tǒng)進(jìn)行研究，首先對(duì)儲(chǔ)能型獨(dú)立光伏系統(tǒng)外圍電路硬件部分進(jìn)行設(shè)計(jì)，主要包括電源模塊、信號(hào)采集模塊等模塊。然后對(duì)系統(tǒng)的軟件部分進(jìn)行了設(shè)計(jì)。

在對(duì)比分析既有蓄電池充電方法的優(yōu)劣前提下，針對(duì)光伏系統(tǒng)提出了一種結(jié)合MPPT和蓄電池充電的全新優(yōu)化控制策略，并對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行了分析，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明該策略能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)電池儲(chǔ)能裝置的最優(yōu)控制并大幅提升電池充電使用效率。

[1]陶海敏，何湘寧. IR2110在驅(qū)動(dòng)大中功率IGBT模塊中的應(yīng)用[J].電工技術(shù)雜志，2002（9）:1-2.

[2]李宏，張翌. 高性能大功率MOSFET和IGBT驅(qū)動(dòng)IC-IR2110及應(yīng)用[J].集成電路應(yīng)用，1991（6）:1-3.

[3]王金勇. 蓄電池幾種充電方法的優(yōu)劣[J]. 設(shè)備管理與維修，2003（4）:14.

[4]李俄收，吳文民. 鉛酸蓄電池的充電方法與充電工藝[J]. 電源技術(shù)，2004（5）:328-329.

[5]Liu Jianzheng，Wang Jian，Wu Libo. Optimal Control of Solar Energy Combined with MPPT and Battery Charging[C]. ICEMS 2003: 287-288.

[6]AliAl-Mohamad.Efficiency improvements of photovoltaic panels using a Sun-tracking system [J]. Applied Energy，2004（79）: 345-346.