一种基于单片机实时显示太阳能充放电控制器设计

孙艳玲，罗 友 ，张东清

(杭州电子科技大学新型电子器件与应用研究所电光源实验室，杭州310018)

太阳能光伏产业是近年来世界上发展速度最快的行业之一，能源危机与环境保护问题的日益严重，使得这一产业更是受到前所未有的关注。由于太阳能光伏发电系统输入能量极不稳定，一般需要先将电能以化学能的形式存储在蓄电池中，再将化学能转化成电能提供给负载。目前主要的可充电电化介质有:铅—酸(Pb－acid)、镍镉(Ni－Cd)、镍—金属氢化物(NiMH)、锂离子(Li－ion)等。其中铅酸蓄电池以前成熟度和高性价比成为当前可充电蓄电池中应用最广泛的类型，尤其是阀控式铅酸蓄电池(VRLA)以其使用安全、免维护、寿命长、成本低、可回收物污染等优点，被广泛应用在电力、邮局通信船舶交通、应急照明等领域。

在铅酸蓄电池的使用过程中，过充电会造成蓄电池大量出气(电解水)，造成水分散失和活性物质脱落;过放电则容易加速栅板的腐蚀和不可逆硫酸化。适当的铅酸蓄电池充放电控制器，通过检测蓄电池的电压或核电状态，发出相应的充放电指令。

1 蓄电池的常规充电方法

1.1 恒流充电法

恒流充电将流入蓄电池的充电流控制在一个恒定值上为蓄电池充电，在充电过程中，要不断的调整蓄电池的电压使之恒定不变，此种方法适合于小电流长时间的充电模式。不足之处是在充电初期充电电流偏小，后期偏大，在后期析出气体多，对极板冲击大，能耗高，充电效率低。恒流充电方法如图1所示。

图1 恒流充电法

1.2 恒压充电法

恒压充电法是指始终用恒定的电压对蓄电池进行充电，因此在充电初期蓄电池电压较低，充电电流很大，但随着蓄电池电压的升高，电流逐渐减小，在充电末期只有很小的电流通过，这样在充电过程中不必调整电流。与恒流充电法相比，虽然这种方法不会浪费过多的充电功率，但在恒压充电初期充电电流过大，可能会严重影响蓄电池寿命，甚至使蓄电池极板弯曲，造成报废。恒压充电方法如图2 所示。

图2 恒压充电法

1.3 阶段充电法

蓄电池的阶段充电法包括两阶段充电方法和三阶段充电方法，这是以克服恒流与恒压缺点而结合的一种充电策略。充电初期使用恒流充电，到达一定容量后改为恒压充电。这种方式在充电初期不会出现很大的电流，在后期也不会出现过高的电压，使蓄电池产生析气。两阶段充电完毕后，蓄电池的容量基本达到额定值，改用涓流充电以弥补蓄电池的自放电，这种小电流的充电方式成为浮充，电压比恒压的电压要低大约200 mV ～300 mV。如图3 所示。

图3 三阶段充电法

本系统实现的是PWM 三阶段充电方式，通过调节MOSFET 开关管的通断时间来控制信号的D(占空比)，从而实现对输出电压的调整。利用AVR单片机的PWM 口，通过软件编程改变占空比的大小来控制对蓄电池的充放电。

2 系统设计指标

2.1 光伏电池组件选择

在光伏系统中，太阳能电池组件对铅酸蓄电池进行充电。一般而言，基于丝网印刷技术或埋栅硅太阳能电池技术的36 片电池组件，可以串联起来为一个12 V 的蓄电池充电。电池组件的参数为:

开路电压(Voc):21.6 V(25 ℃)，短路电流(Isc)=3.0 A，填充因子(FF)=75%，最大功率电压(Vmp)=18 V(25 ℃)，最大功率电流(Imp)=2.7 A。

2.2 系统充电方式

我们可以将蓄电池分为三种不同的状态，分别是过放、欠压和正常。在充电之前先检查蓄电池的所在状态，根据不同的状态选择不同的充电方式，其对应充电方式如表1 所示。其中，提升充充电电压为14.8 V，直充充电电压为14.4 V，浮充充电电压为13.8 V(蓄电池电压Vb指无负载下的电压)。

表1 蓄电池的充电方式选择

3 系统硬件设计

3.1 电路结构框图

系统的结构框图如图4 所示，太阳能电池板产生的电压经由控制器，存储在铅酸蓄电池中，同时在控制器的作用下，向直流负载进行供电。如果负载是交流的，需要加交流逆变器(DC/AC)。

图4 电路结构框图

太阳能板产生的不稳定电压可经过DC/DC 变换，变为铅酸蓄电池所需要的可充电电压。本论文针对12V 的铅酸蓄电池充电管理，所以采用BUCK降压型拓扑。电路拓扑结构如图5 所示，其中D1是防反充二极管，可保证当太阳能电池电压小于蓄电池电压的时候，蓄电池对太阳能板不进行反充电。二极管可选择快恢复二极管，这种二极管导通内阻小，充电时发热量小，可连续充电。

图5 buck 拓扑电路

单片机主要的功能模块如图6 所示，主要包括太阳能板和蓄电池的电压采集，以及蓄电池的充电电流的采集，并进行PWM 控制，通过采集周围环境的温度对蓄电池进行温度补偿，可通过发光二极管实时的显示蓄电池的状态。

图6 单片机控制模块

3.2 检测电路的设计

检测电路主要包括太阳能板和蓄电池的电压检测，蓄电池的充电电流检测，和温度检测。对于太阳能板和蓄电池的电压检测可通过电阻分压法进行直接检测。如图7 所示，分别是太阳能电池Up 的电压检测，铅酸蓄电池Ub 的电压检测和温度检测电路。

图7 电压检测电路

充电时铅酸蓄电池产生的热量由充电电流流过内阻和电池内部化学反应所释放的两部分热量，使铅酸蓄电池的温度升高。温度升高的结果是充电电流的增大，一旦超过铅酸蓄电池在该时刻所对应的可接受充电电流的大小，将伴随副反应的发生。因此，控制不当将会在后期发生过充电反应，而过充电电流主要用来产生副反应和产生热量，又进一步导致温度的升高，对蓄电池的寿命大打折扣。因此，在充电过程中，设置温度传感器，采样充电过程电池的温度，建立反馈控制回路来控制调节电流的大小。

温度采样的方法很重要，直接关系着补偿的效果。一般来说有3 种方式:一是采样蓄电池附近的空气温度，这种方法最容易，但是不准确;而是采样蓄电池外壳的表面温度，是最为实际和容易的方法;但是采样蓄电池内部电解液的温度，最能准确反映蓄电池的实际情况，但是较难实现，需要专业的设备与技术。目前应用最广的就是第二种方法，来采样和设计温度补偿单元。

铅酸蓄电池采用温度补偿功能后，设定的标准电压将按照以下公式变化:

其中，Vtc为温度补偿后的电压，Vn为未经补偿的电压，Tc为设置的补偿系数(单位:mV/℃)，N 为每组铅酸蓄电池的数值，T 为温度传感器的指示温度。

以阀控式铅酸蓄电池为例，在25 ℃时，浮充电压为2.25 V/只，允许的变化范围是2.23 V ～2.27 V。温度补偿系数，其值一般为3 mV/℃～4 mV/℃。根据公式可以得到不同温度时的浮充电压，系统将根据检测到的温度值自动调整浮充电压值。

电流检测的方法有很多种，包括霍尔传感器检测，电流互感器和采样电阻检测等等。在电流较大场合，大多采用磁性器件进行检测，以避免电阻检测造成的损耗，较常用的是电流互感器。但是电流互感器电路设计相对复杂，且占用的基板面积较大，不利于电路小型化。除了电流互感器外，霍尔传感器也是根据磁感应制作的电流检测元件。同电流互感器相比它精度高但是价格高，体积大。

电阻电流检测电路通常利用测量电流通路中采样电阻两端压降以得到采样电流。按照采样电阻与电源连接位置的不同，可分为电压低端电流检测和电压高端电流检测。由于其电路设计简单，成本低廉，易于实现，使得在电路中应用非常普遍。鉴于低端检测电流在使用时有几种状态故障时检测不出来的，避免对负载造成大的问题，本系统利用电压高端电流检测。专用高端检流电路内部包含了完成高端电流检测的所有功能单元，并可以在高达32 V 共模电压下检测高端电流，并提供与之成比例的，与地电平为参考的的电流输出。适合于需要对电流进行精确测量和控制的应用，如电源管理和电池充电控制。MAXIM 的高端检流运放中所使用的检流电阻放置在电源的高端和被检测电路端之间。如图8 为利用MAX4173 构成的高端电流检测电流(VCC 为3 V ～28 V)。

所测电流Is为

其中Rlsensel为检测电阻阻值

图8 高端电流检测电路

G 为运放的增益

Vout为运放输出电压

G 分别为:20(MAX4173T)，50(MAX4173F)，100(MAX4173H)。

3.3 辅助电源

系统选用高性能、低功耗的ATmega16 单片机作为微处理器，正常模式下的工作电压为4.5 V ～5.5 V，工作电流为1.1 mA。通过稳压芯片LM7805调整为单片机所需要的电源电压。lm78/lm79 系列三端稳压芯片组成的稳压电源所需的外围元件极少，电路内部还有过流、过热及调整管的保护电路，使用起来可靠、方便，而且价格便宜。该系列集成稳压IC 型号中的lm78 或lm79 后面的数字代表该3端集成稳压电路的输出电压，如lm7806 表示输出电压为正6 V，lm7909 表示输出电压为负9 V。LM317是美国国家半导体公司生产的3 端可调稳压集成电路，输出电压范围是1.2 V 到37 V，提供的最大电流能够够达到1.5 A。

图9 LM317 单片机供电电路

3.4 放电管理

蓄电池在应用过程中，过放电会折损蓄电池的使用寿命。系统放电框图如图10 所示。

图10 放电控制框图

当蓄电池电压达到过放电控制电压时候，控制器通过MOS 开关，切断负载供电，以保护蓄电池的过放电，确保蓄电池不受损害。

4 系统软件设计

ATmega16 是ATMEL 公司生产的高性能、低功耗的8 bit AVR 处理器。具有先进的RISC 结构，非易失性的程序和数据存储器，包括16 k 内部可编程的Flash、512 byte 的EEPROM、及具有独立锁定位的可选Boot 代码区，JTAG 接口可实现片上调试及扩展功能。其中，单片机具有两个8 bit 定时/计数器和一个16 bit 定时/计数器，四通道的PWM 及8 路10 bit ADC。系统工作时，首先将单片机复位，然后采集周围环境温度，根据环境温度设定相应的提升充电压和直充电压以及浮充电压值。通过检测蓄电池的电压Up 来判断蓄电池状态进行相应的充电子程序。如图11 为蓄电池充电方式选择子程序流程框图。

图11 充电方式选择子程序框图

单片机利用定时/计数器产生PWM 信号，计数从0 开始进行增1 计数，到TOP 值后归零，在计数值为0 时，产生高电平，当与设定的COMP 值相等时候，产生低电平，如此反复计数。所发出来的PWM的周期与TOP 值有关，占空比与COMP 值有关。TOP 取255，COMP 取128，即可得到占空比为50%的方波。实验中使用的是BUCK 型拓扑，其占空比为D=Vo/Vin，其中Vo为蓄电池的充电电压，Vi为检测到的太阳能的电压。可根据不同的时刻实时调整占空比为蓄电池进行充电。程序采用C 语言进行编程，编译环境是ICC，软件编写完成后，可通过单片机的JTAG 仿真接口进行仿真调试。

4.1 VRLA 的充放电曲线

根据VRLA 的特点，控制器利用MCU 的PWM功能对蓄电池进行充电管理。控制器正常充电时，负载开路，保证正常充电。夜间将打开负载，进行放电。单个VRLA 的充放电特性曲线如图12 所示。

图12 VRLA 充放电特性曲线

5 总结

太阳能充放电控制器在光伏系统中起着核心的控制作用，利用专业的单片机与软件编程，既可实现对蓄电池的合理充电，又可实现智能控制。本系统针对12 V 的蓄电池，设计了一套简便实际的控制器，采用PWM 充电主电路，使充电的电压损失较使用二极管的充电电路降低近一半，充电效率较非PWM 高3% ～6%，具有过放恢复的提升充电压、正常的直充、浮充自动控制功能，使系统具有较长的使用寿命，同时兼具温度补偿功能。

［1］ 高云.太阳能充电控制器研究［D］.北京交通大学，2009.

［2］ 杨明，薛士龙，曹金虎，等.基于ATMEGA16 的铅酸蓄电池充放电控制器的设计［J］.佳木斯大学学报(自然科学版)，2011，29(2):197 －200，205.

［3］ 洪刚.蓄电池太阳能充电系统研究［D］.重庆大学，2008.

［4］ Yi－Hwa Liu，Rong－Ceng Leou，Jeng－Shiung Cheng.Design and Implementation of a Maximum Power Point tracking Battery Charging System for Photovoltaic Applications［C］//Power Tech，2005.2008:1－5.

［5］ Yang H X，Zheng G F，An D W，et al.Solar Lighting with Advanced Intelligent Controller［J］. Transaction of the Hong Kong Institute of Engineers，2002，9(2):30－34.

［6］ http://ieeexplore.ieee.org/stamp/stamp. jsp?tp =＆arnumber =5777394＆isnumber=5776798.

［7］ 孙超，郭勇，陈新，等. 独立光伏系统中太阳能充电器的研究［J］.电力电子技术，2009，43(4):44 －46.

［8］ 李敏，刘京诚，刘俊，等.一种新型的太阳能自动跟踪装置［J］.电子器件，2008，31(5):1700 －1703，1708.

［9］ 杨帆，彭宏伟，胡为兵，等.太阳能电池最大功率点跟踪技术探讨［J］.电子器件，2008，31(4):1081 －1084.

［10］ 周静，何为，龙兴明，等.蓄电池储能的独立光伏系统充电控制器研制［J］.电力自动化设备，2011，31(11):13 －17.

［11］ Intelligent Fuzzy Logic Controller for a Solar Charging System［C］//2009 IEEE/ASME International Conference on Advanced Intelligent Mechatronics(AIM 2009).［v.1］.2009:1412 －1417.

［12］ 史云鹏，王莹莹，李培芳，等.光伏系统中蓄电池充放电控制方案的探讨［J］.太阳能学报，2005，26(1):86 －89.