高效智能化太阳能充电系统的研究

梁晓鸥，廖俊必，吴 瑞

（四川大学 制造学院测控系，四川 成都 610065）

太阳能光伏组件是利用半导体材料制成的一种可以直接将太阳辐射能量转化为直流电能的装置。在使用上不受地域限制，只要有阳光的地方就可以实现，同时太阳辐射到地球上的总能量充足，是取之不尽的自然资源，在使用中对环境没有污染。但是太阳能的能量密度低，光伏组件效率难以提高等，都为其推广普及带来了一定的困难。作为一种新型的具有多种优点的能源，光伏能源将会更加广泛地被使用[1]。

笔者设计了一套能够完成智能化充电用电管理的太阳能供电系统，能够独立完成光伏组件智能供电，蓄电池充电，并对负载进行供电，可以工作在浮充状态下，通过单片机实现智能化控制，通过指示灯显示充电状态，从而实现高效智能化管理系统。

1 原理与设计

1.1 系统原理

太阳能电池在使用中，通常根据系统设计的需求功率电压电流等参数进行串并组合构成太阳能电池组件；由于太阳能电池自身的输出特性并不能保持恒定，会随着光照、温度、角度等条件的变化而变化，所以在太阳能输出端需要加一个转换电路，采用最大功率跟踪的方法，随时调整电路的输出功率，实现高效利用有限的太阳能资源；在充电过程中时刻监测电路中太阳能组件输出电压、电流、充电电流、蓄电池电压，蓄电池温度等参数，当蓄电池电压达到充电终止电压时，及时断开充电回路，防止蓄电池过充，或者当蓄电池电压低至放电截止电压时，及时断开用电回路，防止蓄电池过放。系统各个模块设计框图如图1所示。

图1 智能太阳能供电系统结构Fig.1 System block diagram

1.2 MPPT最大功率跟踪控制

太阳能光伏组件是一种特殊的电源器件，它既有电流源的特性，也有电压源的特性，其输出的电压电流与光照强度、温度等有关，在一定温度下，其输出电流随着光照强度的增强而大大增加，输出电压则基本不变，伏安特性曲线如图2所示。

当给太阳能电池接上负载，其负载线与特性曲线的交点与坐标轴围成的面积即表示此刻的输出功率。当该面积最大时，即表示负载与太阳能电池刚好匹配，可以输出最大功率。由于太阳能电池的伏安曲线是随着外部环境变化的，即理论上最大功率点在曲线上并不固定，MPPT实际上就是一个负载的动态匹配过程，以寻找到最大功率点，目前常用的控制方案有扰动观察法、增量电导法、滞环比较法、模糊控制法等[2-3]。其中扰动观察法，电路结构简单，容易实现。

图2 太阳能电池伏安特性与负载线及功率关系Fig.2 Volt-ampere characteristics and load line

扰动观察法的原理是通过给定一个方向的电压扰动，然后测量在这个扰动发生后的输出功率，与前一发生扰动时刻的功率进行比较，如果扰动后的功率增大了，那么继续沿着这个扰动的方向给予电压增量；如果扰动后的功率减小了，那么就与之前扰动方向相反，给予新的扰动，再不断循环这个过程，直到寻找到最大功率点[4]。基于降压式变换电路（BUCK）电路的MPPT最大功率跟踪方法，是通过控制器输出一个PWM信号，来控制电路中MOSFET的导通时间来调整输出的。D为场效应管的导通占空比，ΔD表示占空比的调节时间，在这种控制方法下，输出功率将在最大功率点附近波动，波动的幅度，取决于ΔD的选择，在同一初始 D值下，ΔD越大，波动越大，但是系统从初始化到寻找到最大功率点的时间越短。

1.3 系统硬件电路设计

BUCK电路是一种降压型DC-DC变换电路，通常由功率晶体管、储能电感、续流二极管及滤波电容构成，如图3虚线框示。

图3 系统硬件电路设计Fig.3 System circuit design

Q为功率晶体管，在一个开关周期T内，其导通时间为ton，导通占空比为D，通过LC滤波器，其输出电压平均值为VDSton/T。Q导通时，加在电感L上的电压为VDS-VSAT-VO恒定，流过电感L的电流线性增大至I1，同时向负载供电和向电容充电；Q关断时，电感两端电压极性反相以保持流过电感的电流不变，此时二极管VD导通，电感中的电流开始线性下降至I2，则I1与I2的中点电流值，即为输出的IO。当I2不为零时，BUCK电路工作在电流连续状态下[5]。单片机自带的PWM信号输出功能，可以很方便的进行占空比调节，从而控制Q的导通时间，改变电路输出。单片机输出的PWM信号幅值不足以驱动场效应管导通，采用直接法驱动电路进行驱动，如图4所示。

图4 驱动电路Fig.4 Driving circuit

电流检测采用霍尔电流传感器ACS712，该电流传感器可探测到电流的大小并转换成线性电压输出，其导通电阻大约1.2 mΩ，具有较低功耗。本系统的核心控制器选用STC12C5A60S2单片机。该单片机内部集成了2路PWM，8路高速10位A/D转换器，完全满足本系统的需要。充电回路检测光伏组件输出电压、输出电流、蓄电池电压、蓄电池充电电流4个信号，分别通过P1.0～P1.3输入到单片机的AD转换端口，测得准确的电压值，并计算出相应的电流值，监测回路状态，防止蓄电池过放或者过充。回路中采用具有较低压降的肖特基二极管防止负载蓄电池向太阳能板反向充电。

充电回路采用常开型固态继电器控制，当监测到蓄电池处于未充满的状态下，则闭合固态继电器，为蓄电池充电，当监测到V4到达蓄电池充电截止电压时，断开继电器，防止蓄电池过充，另一方面V4信号的检测还反映出蓄电池的使用情况，当蓄电池电压低至放点截止电压时，管理单元发出控制信号，断开用电回路，防止蓄电池过放，损坏电池。在系统中接入分别接入两个发光二极管，当继电器闭合时，点亮红色LED，表示正在充电；当蓄电池充满时，点亮绿色LED，指示充电完成。

1.4 电源管理方案

本系统待充电电池为单节磷酸铁锂电池。它是一种新型的锂离子电池，标称电压3.2 V、终止充电电压3.6±0.5 V、终止放电压2.0 V。电源管理模块需要实现蓄电池过充过放保护，太阳能板与蓄电池组的匹配调整，电路充放电状态指示。

美国科学家马斯提出并用实验证明了如果一个电池在充电过程中保持相等而微量的不断气化，那么充电电流的曲线为一条指数曲线。因此，越接近该充电曲线的充电方式，越能够有效地减小蓄电池的极化现象并缩短充电时间[6]。采用变电流阶段充电法，在充电初始阶段采用MPPT最大功率跟踪方法，尽可能多的获取光伏组件的输出功率，充电末期时减小充电电流，保护蓄电池。

1）在充电开始前，检测蓄电池的状态，若低于蓄电池的过放电压，则调节PWM信号，采用一个较小的电流对蓄电池进行预充一段时间。

2）此后进入普通充电阶段，采用最大功率跟踪方法，使太阳能电池板输出尽可能大的功率，并检测蓄电池电压和充电电流。随着蓄电池逐渐充满，电压逐渐升高，直电池电压接近3.6 V。

3）此时，蓄电池基本已经充满，其充电接受能力下降，如果仍按前一充电状态下的电流充电，会造成过量析气，损坏电池或者造成虚满现象，此时调整PWM信号，逐渐减小充电电流，直到电池电压达到充电截止电压，最终完成充电。

1.5 系统软件设计

本智能太阳能充电管理系统的核心控制器选用STC12C5A60S2单片机。该单片机是具有高速，低功耗，强抗干扰能力的新一代8051单片机，速度比传统8051快8～12倍，128字节片内RAM数据存储器，60 k程序存储空间，36个通用I/O口，工作电压3.3～5.5 V。将A/D转换与PWM信号输出都集成在了单片机内，方便系统设计，简化电路，提高系统的集成化。开机后，先进行系统初始化，设定系统工作状态，导通占空比D及调整量ΔD，输出 PWM信号，使 BUCK电路开始工作，打开A/D转换器，采集此刻电路的参数，包括充电电流电压，电池温度等，计算出当前的输出功率；然后，对PWM信号进行调整，再进行电流电压数据采集，功率计算，与前一时刻输出功率进行比较，不断调整直到寻找到最大功率点。由于MPPT方法在天气快速变化的时候跟随性差，甚至造成误操作，所以设计数据采集设每5 s进行一次，每次采样取10次AD转换结果求取平均值。

图5 软件程序流程图Fig.5 Flow chart of software

2 实 验

实验太阳能板性能最大短路电流1.94 A。在晴朗天气条件下，测试数据如表1、图6所示，充电效率提高20%～30%。

表1 测试数据Tab.1 Test data

图6 测试数据Fig.6 Test data

3 结 论

文中设计了一种能够自动完成智能化充电控制的太阳能－蓄电池充电管理系统。采用带AD转换，PWM信号输出功能的高速STC12C5A60S2单片机。实验表明，利用该方法进行充电，可以提高电池的充电效率，并且起到保护蓄电池的作用，是一款高效智能化充电管理系统。

[1]邓长生.太阳能原理与应用[M].北京:化学工业出版社，2010.

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