一种新型的太阳能充电控制器的设计

顾志锋

（南通工贸技师学院，江苏 南通 226000）

太阳能控制器是太阳能发电系统的重要设备,其性能的好坏直接影响太阳能发电系统的使用效果。目前,常规的控制器主要采用模拟电路,功能单一难以实现全面保护,在使用中保护点的参数较难改变,也很难实现温度补偿达到最佳工作效果,而且采用模拟电路系统性能会随着野外环境的变化发生变化，控制效果会打折扣。本文设计的一种用微处理器为基础的控制器有更好的工作效果。

1 控制器的硬件设计

图1 控制器在太阳能设备系统中的位置

充电控制器在系统中处于非常重要的位置，电池上的电压允许在12V±10%浮动（以12V电瓶为例）。随着蓄电瓶的被充电，其电压将会不断上升，而随着电瓶的放电，电瓶的电压又会不断下降。根据蓄电瓶的构造与特性，我们知道，不管是充电，还是放电，都必须在一定的范围内进行，即不能出现过充与过放的现象。否则，将大大降低电瓶的使用寿命。一般说来，充电时，电瓶的电压不得超过额定值的10%；而放电，则不得低于额定值的10%。也就是说，我们在利用电瓶进行电能储存与释放时，电瓶的电压必须控制在额定值的±10% 。根据这个要求，我们设计的充放电控制电路如图2 所示。

图2 充放电电路电原理图

（1）充电控制回路的工作原理。场效应管VT4是充电回路的电子开关，它的导通取决于其栅极的电位。当栅极处于高电位（8V）时导通，处于低电位（0V）时截止。而VT4栅极的电位又取决于VT3的状态：当VT3饱和时，VT4栅极处于低电位；当VT3截止时，VT4栅极处于高电位（由R9及VD4串联的稳压电路提供8V的电位）。VT3的饱和、截止又取决于IC1（单片机芯片）的③脚的输出电位。在正常情况下（指蓄电池需进行充电），IC1③脚的输出低电位（0V）——VT3截止——VT4导通 （充电电子开关打开）——蓄电池被充电。充电回路为：光伏电池正极——VD5——FUSE（熔断器）——蓄电池的正极、负极——VT4——地（光伏电池负极）。

在充电的同时，由于IC1③脚输出低电位（0V），使发光二极管VD3导通发光，作为充电状态的指示灯。由R10与R11分压后的电位作为控制电压送入IC1的⑥脚，当蓄电池充满后（即蓄电池的输出电压≥14.4V，IC1的⑥脚输入电压≥4.72时），IC1③脚输出高电位（+5V），从而使 VT4截止，切断充电回路，以保护蓄电池不致因过充而损坏。随着放电的进行，蓄电池的输出电压不断下降，当蓄电池的输出电压≤13.2V（IC1的⑥脚输入电压≤4.34V）时，VT4恢复导通，蓄电池又被充电。而当蓄电池的输出电压处于13.5～14V（IC1的⑥脚输入电压在4.44～4.59V）时，VT4将间隙导通，使蓄电池处于浮充状态，浮充的周期为3s，其中导通1s，截止2s。此时，充电指示灯也处于闪烁状态。

（2）放电控制回路的工作原理。VT1是放电回路的电子开关，它的导通也同样取决于其栅极的电位。栅极处于高电位（8V）时导通；处于低电位（0V）时截止。而VT1栅极的电位又取决于VT2的状态：当VT2饱和时，VT1栅极处于低电位；当VT2截止时，VT1栅极处于高电位（由R1及VD1串联的稳压电路提供8V的电位）。VT2的饱和、截止又取决于IC1的②脚的输出电位。当正常情况下（指蓄电池有向负载的供电能力，即处于不“亏电”的状态），IC1②脚输出低电位（0V）——VT2截止——VT1导通 （放电电子开关打开）——蓄电池向负载放电。放电回路为：蓄电池的正极——FUSE（熔断器）——负载——VT1——地——VT4（VD6）——蓄电池的负极。放电的同时，由于IC1②脚输出低电位（0V），使发光二极管VD2导通发光，作为放电状态的指示灯。由R7与R8分压后的电位作为控制电压送入IC1的⑦脚，以此来控制IC1的②脚输出的电位。当蓄电池的电压≥10.8V（即IC1⑦脚输入的电位≥3.37V）时，IC1②脚输出低电位，VT1导通，蓄电池向负载放电；而当蓄电池的电压＜10.8V（即 IC1⑦脚输入的电位＜3.37V）时，IC1②脚输出高电位(+5V)，VT1截止，蓄电池停止向负载放电，以保护蓄电池不至因过放而出现“亏电”的现象，延长蓄电池的使用寿命。蓄电池一旦停止向负载放电后，只有当它的电压上升至13.2V（即IC1⑦脚输入的电位≥4.17V）时，方能恢复放电（IC1②脚方输出低电位）。VD6构成放电回路的辅助通道，当充电回路不工作（即VT4截止，如蓄电池处于过充状态）时，放电通过其构成回路。另外，若由于某种原因导致充电自动控制回路出现了故障，即当蓄电池电压上升至14.4V时，电路尚不能自动切断充电回路，以至蓄电池电压继续上升，则有可能使负载电流过大导致负载损坏。因此，当蓄电池电压升至16.5V（即IC1⑦脚输入的电位＞5.50V） 时，IC1②脚输出高电位(+5V)，VT1也处于截止状态，停止向负载供电，从而有效保护负载。一旦放电回路处于“负载保护”状态后，只有当蓄电池电压下降至15V时（即当 IC1⑦脚输入的电位≤5.0V）时，IC1②脚方输出低电位(0V)，VT1重又处于导通状态，恢复向负载供电。

综上所述，蓄电瓶的电压与充、放电控制电路的工作特性、工作状态如表1所示。

表1 控制特性

另外，电路中的IC2是三端集成稳压器，输入为蓄电池电压，输出为+5V，为IC1提供稳定的工作电压。C1、C2是低、高频滤波电容。

IC1④脚电位的高低，决定了VT1是否工作在间隙状态。当④脚为高电位（+5V）时，连续导通；而当④脚为低电位（0V）时，间隙导通，周期为4s，占空比为1/2。④脚电位的高低通过拨动开关“S”来实现。

2 控制器的软件设计

控制器软件的设计按照结构化的程序设计完成的，将整个程序细分为若干个子程序，方便调试与检查，开发系统采用通用编程器top2048，利用c语言使整个程序变得简单，紧凑，易懂，便于调试。整个软件流程图如图3 所示。

图3 程序流程图

3 结语

采用微处理器实现太阳能充电控制器的充放电控制，其各项性能指标明显优于常规控制器，可以根据不同的蓄电池进行参数调节。选用的PIC12F65内置A/D转换器，体积小，低功耗，价格低，外围电路简单，便于批量生产，可望在市场上得到进一步推广。

[1]胡宴如.模拟电子技术[M].北京：高等教育出版社，2009.

[2]李全利.单片机原理及应用技术[M].北京：高等教育出版社，2009.