太阳能发电系统中蓄电池充电控制器的设计

张佳民，翟成强，洪轩，廖盼盼

(上海电力学院自动化工程学院，上海200090)

太阳能发电系统中蓄电池充电控制器的设计

张佳民，翟成强，洪轩，廖盼盼

(上海电力学院自动化工程学院，上海200090)

为了将太阳能这种绿色新型可再生能源转换成能够直接使用的电能，方便中小功率用户的使用，设计了一种基于太阳能发电的蓄电池充电控制系统。该系统由太阳电池、蓄电池、充电控制器以及相应的蓄电池电压检测电路、充放电电路和负载保护电路等组成。测试结果表明，太阳能充电系统可以可靠有效工作，满足为中小功率负载供电的设计目的。

太阳能；太阳电池；蓄电池；充电控制器

太阳能是一种新兴的可再生能源，具有绿色环保、无污染、可直接利用等优点。由于太阳电池的输出电压受光照强度的影响，电压值不稳定，因此太阳电池通常不能直接向用电器供电，必须将太阳电池获得的电能通过充电控制器储存到蓄电池中，然后通过蓄电池向负载供电。蓄电池充电控制器性能的好坏对蓄电池的使用寿命有着最直接的影响，因此，本系统中的充电控制器对蓄电池的充电条件和放电条件都予以限制，通过蓄电池电压检测电路实时监测蓄电池的输出电压，有效避免了蓄电池发生过充和过放现象。同时，系统采取PWM脉宽调制充电方法，能够很大程度提高充电效率，并对蓄电池起到很好的保护[1]。

1 基于太阳电池的蓄电池充电控制系统

1.1 系统硬件方案总体设计

本文设计的蓄电池充电控制器采用C8051F040单片机为核心，以Buck电路为主电路，单片机根据采集得到的电压电流信号来执行预先设定的充电控制策略，实现太阳电池的输出特性与蓄电池充电方式的合理配合，使系统尽可能发挥自身的优越性。蓄电池充电控制系统的工作原理框图如图1所示。

由图1可知，充电电路主要由DC/DC变换电路组成，本系统采用Buck电路作为DC/DC变换电路。通过采样电路采集太阳电池的端电压和电流，把采集信号送到单片机进行模数转换，根据采集数据充电控制器输出PWM脉宽调制控制信号，此信号通过功率放大驱动功率开关器件，实现电压调整。控制器同时也要检测蓄电池的端电压及充电电流，以此来判断蓄电池当前的电量，从而防止过充或过放。

图1 蓄电池充电控制系统

1.2 系统硬件电路设计

1.2.1 蓄电池电压检测电路设计

蓄电池是整个系统的重要组成部分，对蓄电池的保护至关重要，因此充电系统要对蓄电池端电压进行在线检测。控制器通过采集蓄电池端电压信号，根据蓄电池端电压的大小决定充电策略，防止蓄电池过充过放，从而保护蓄电池，延长其使用寿命。蓄电池电压检测电路如图2所示。

图2 蓄电池电压检测电路

蓄电池电压检测电路主要是采集蓄电池的端电压信号，选择蓄电池的负极作为整个检测电路的零电位点[2]，如图2所示。由于蓄电池充满时的电压为14.2 V，即蓄电池最大输出电压为14.2 V，因此利用2个固定电阻R1和R2分压，并通过可变电阻Rs进行调节，可以使加在运算放大器同相输入端的电压稳定在3.3 V以下，通过电压跟随器将该电压输出至控制器的PCI口，控制器单元内部电压要求是0～3.3 V，完全满足要求。通过PCI口读入实时电压数据，通过内部模数转换器转换为数字信号，然后经过控制器的分析，从而判断蓄电池当前的电量状态。

具体方案是控制器内部将采集到的电压信号经过计算还原到蓄电池真实的电压，当检测到蓄电池的电压小于10.5 V时，开关管始终接通，即采取全通充电方式。如果检测到蓄电池电压大于10.5 V并小于14.2 V时采取脉宽调制方式充电。随着蓄电池电压的增加，脉宽不断变窄，直到蓄电池端电压上升为14.2 V时，脉宽减小为0停止充电。脉宽调制方式的实现是由软件来实现的。

1.2.2 充放电电路设计

在充放电模块设计中，本文采用功率场效应管作为充放电电路中的开关器件[3]。充放电控制电路如图3所示。开关Q5导通时，太阳能极板和蓄电池构成回路，太阳能极板对蓄电池进行充电；开关Q5断开时，太阳能极板与蓄电池断路，停止对蓄电池的充电。

图3 充放电控制电路

蓄电池充电控制：当OP1输出低电平时，Q1、Q2均截止，导致Q3导通，Q4截止，从而Q5导通，蓄电池负端连接到太阳电池负端，此时太阳电池向蓄电池充电；当OP1输出高电平时，Q1、Q2均导通，导致Q3截止，Q4导通，从而Q5截止，蓄电池负端与太阳电池负端断开，此时太阳电池停止向蓄电池充电。OP1高低电平的输出选择通过控制器的软件实现，控制器通过采集到的蓄电池端电压和太阳电池电压信号来决定是否向蓄电池充电。

蓄电池放电控制：当OP2输出低电平时，导致Q6截止，Q7导通，负载的负端与蓄电池的负端连接在一起，此时蓄电池处于供电状态，向负载供电；当OP2输出高电平时，导致Q6导通，Q7截止，负载的负端与蓄电池的负端断开，此时蓄电池停止向负载供电。OP2的高低电平输出选择同样通过控制器的软件来控制。

2 蓄电池充放电策略及软件系统

2.1 蓄电池充放电策略

本文选用PWM脉宽调制充电法，PWM脉宽调制充电方式首先对电池充电一段时间，然后让电池停止充电一段时间，如此循环往复。这种PWM脉宽调制充电方式使蓄电池有充分的反应时间，提高了蓄电池充电效率。

对于太阳能光伏发电系统中的蓄电池来说，在光照较强的白天，若蓄电池发生过充，充电控制器会根据蓄电池的电压来控制太阳能极板与蓄电池的通断占空比，并保持一段时间，激活蓄电池，最后降到浮充电压并保持。若未发生过充，就无需提升充电电压，以免蓄电池失水，这些自动控制过程将使蓄电池达到最佳充电效果并延长其使用寿命[4]。在光照较弱的黑夜，蓄电池主要向负载供电，同样要检测蓄电池电压，当电压到达设定的最低放电电压时，控制器会自动切断负载来保护电池不被过放电。只有当蓄电池再次被充电后的电压达到控制器设定的启动电压时，负载才会被再次接通。

2.2 系统软件设计

系统开始工作后，先检测太阳电池电压是否达到充电电压，如果己经达到充电电压，则转入蓄电池电量状态计算子程序和脉冲宽度子程序，完成对蓄电池的充电控制，否则继续检测太阳电池电压，直到其电压达到充电电压为止，软件总体设计、蓄电池电量状态子程序以及脉宽调制子程序的原理图分别如图4～6所示。

图4 软件总体设计原理图

图5 蓄电池电量状态子程序

图6 脉宽调制子程序

3 测试结果与分析

3.1 充电系统空载和带小负载状态充电测试

实验所用的太阳电池输出最大功率为38 W，标称工作电压为17.5 V，开路电压为21.5 V，满足向蓄电池充电的电压要求。蓄电池额定电压为12 V，额定电流为8 A。

空载实验当天的天气情况：天气晴朗，空中云层较少，光照充足，温度为25～35℃。蓄电池初始电压为9.78 V，负载回路断开，从上午9点开始，每隔10 min测量一次蓄电池电压，直到电压达到最大且保持不变，记录下每次测量的电压值和对应的时间。经整理绘图，得到空载状态下蓄电池充电曲线如图7(a)所示。带小负载实验当天的天气情况和空载时基本一致，只是在负载回路串联一个5 W的小灯泡。蓄电池初始电压为9.80 V。同样从上午9点开始，数据记录方式同空载实验保持不变。经整理绘图，得到带载状态下蓄电池充电曲线如图7(b)所示。

图7 蓄电池充电曲线图

在天气情况和蓄电池初始电压基本相同的条件下，由充电曲线可知，空载状态下的蓄电池充满电的时间为6 h，而带小负载的蓄电池所需的充电时间更长，为8 h，但无论是空载还是带载实验，蓄电池的充电过程基本一致，且蓄电池充满电的电压均稳定在14.2 V。因此，该充电控制系统工作正常，且性能稳定可靠，可以满足向小功率负载供电的要求。该光伏系统中的蓄电池充电过程与一般充电率时的蓄电池充电过程一致，充电时间较短且对蓄电池的保护做得更好。

3.2 大负载下放电控制测试

为了检查蓄电池的电量是否正常，本文采用10小时率[5]放电。将充满电的蓄电池的负载回路中接入10 Ω的电阻，每隔15 min测量一次蓄电池端电压，通过计算蓄电池放出电量，对照测量得到的电压，判断蓄电池电量是否正常。放电过程中蓄电池端电压变化曲线如图8所示。

图8 蓄电池放电电压变化曲线

由放电曲线可知，蓄电池由充满电状态经过10小时率放电的最终电压为7.8 V，仍大于设定的最低放电电压，且每一小时时段放电结束后的电压经过换算，蓄电池的剩余电量均在正常水平以上，最终放电结束后蓄电池的剩余电量仍然超过充满电量的50%。因此，该充电控制器很好地限制了蓄电池的放电条件，根据蓄电池电压检测电路采集到的实时电压数据，合理地控制蓄电池的放电过程，有效避免了蓄电池发生过放电现象。

4 结语

本文设计的太阳能光伏发电系统中的蓄电池充电控制器以单片机为核心，经过调试运行，其效果完全满足系统给定的功能要求。充电控制器对蓄电池的充放电条件均予以限制，保证蓄电池不会发生过充或过放，有效地保护了蓄电池，提高了系统的可靠性。测量结果表明，太阳电池工作输出电压在14.5～21.5 V，满足向蓄电池充电的要求，蓄电池充满电的电压稳定在14.2 V。系统运行结果完全按照设计要求，控制器根据蓄电池剩余电量来控制充电或放电的运行，蓄电池剩余电量基本不低于50%，有效降低了电池损耗，保证了系统可以长期可靠使用。

[1]赵禹唐，王希业.蓄电池充电技术[J].电源技术，2001，25(5)：375-377.

[2]卢汉辉.蓄电池组充电管理系统关键技术的研究[D].上海：上海交通大学，2007：38-43.

[3]卢琳，受国华，张仕文.基于MPPT的智能太阳能充电系统研究[J].电力电子技术，2006，41(2)：96-98.

[4]谢歆.铅酸蓄电池的荷电状态指示仪研究[D].安徽：安徽理工大学，2003：5-8.

[5]王菊芬.光伏发电系统中影响蓄电池寿命因素分析[J].蓄电池，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

上海市电站自动化技术重点实验室(13DZ2273800)

张佳民(1970—)，女，黑龙江省人，副教授，硕士，主要研究方向为传感器、检测与仪表以及电能质量分析。