基于ARM的独立型光伏充电系统研究

赵 希

（国网徐州供电公司）

基于ARM的独立型光伏充电系统研究

赵 希

（国网徐州供电公司）

光伏系统目前的主要问题是电池的转换效率低且价格昂贵，因此如何在现有的光电转换技术的基础上，进一步提高太阳能电池的转换效率，充分利用光伏阵列所转换的能量，一直是光伏系统研究的重要方向。本文从太阳能电池的特性出发，对于如何提高太阳能电池的能量转换效率，进行了有益的探讨，设计了基于ARM的储能型独立光伏发电系统的软硬件部分。主要包括电源模块、信号采集模块、A/D模块、PWM驱动模块。在总结分析已有的蓄电池充电方法的前提下，针对光伏系统提出了一种结合MPPT和蓄电池充电的优化控制策略，并对实验数据进行了分析。

ARM；优化充电；独立光伏系统

0 引言

由于光伏电池呈现非线性特性，输出容易受到太阳光辐射和环境温度的影响。通过常规的充电方法如恒压、恒流和脉冲充电等都不能满足系统的需求。系统主要实现的目标不仅在充电过程中最大限度地利用光伏阵列的输出功率，而且要合理充电以减少充电损耗并延长蓄电池的寿命。

对储能型独立光伏发电系统进行较为深入的研究，以移植了VxWorks操作系统内核的S3C44B0x嵌入式微处理器进行控制。嵌入式微处理器具有体积小、重量轻、成本低、可靠性高等优点，目前主要的嵌入式处理器类型有ARM、MIPS、Power PC、6800、386EX、SC-400系列等，其中ARM应用范围最广泛。基于ARM内核的处理器以其诸多优异性能而成为各类产品中选用最多的处理器之一，以32位处理器作为高性能嵌入式系统开发的核心已经是嵌入式技术发展的必然趋势。

本文对储能型独立光伏发电系统的软硬件部分进行了设计。在研究蓄电池各类充电方法的基础上，提出了一种结合蓄电池充电和MPPT功能的优化充电方法。在Tornado集成开发环境中编写应用程序并进行调试。

1 系统软硬件设计

本节的主要内容是设计储能型独立光伏发电系统的充电回路，并进行软硬件部分的设计。其中DC-DC电路选用Cuk电路，这里就不在赘述。系统整体结构框图如图1所示。硬件设计主要包括如下模块：电源模块、信号采集模块、LCD显示模块、A/D模块及其PWM驱动模块。控制部分采用S3C44B0x内核芯片。

图1 系统硬件结构框图

外围电路主要包括电源模块、信号采集模块、MOS管驱动模块和TL494稳压模块。

1.1 电源模块

电源模块的作用是为外围电路的芯片器件提供电源。由于在外围电路中需要用到传感器和74系列元件，所以在电源模块中包含了MC7805、7815和7915稳压模块，如图2所示。这里要注意滤波电解电容的极性连接问题。220V的电压经过变压器后接至J1插座，然后经过整流桥接到稳压模块的输入端。

图2 电源模块

1.2 信号采集模块

信号采集模块的作用为测量光伏电池侧的电压和电流、蓄电池侧的电压和电流信号。然后将采集的信号送到S3C44B0x的A/D模块而后进行处理。电压信号可以采用简单的电阻分压来采集。但是对于蓄电池侧而言，由于参考地的问题蓄电池侧的电压为一浮动电压，所以不能采用电阻分压进行采集。为了解决这个问题，需用到电压传感器。电流信号的采集主要依靠电流传感器。因为A/D采集信号的范围为0～2.5V。光伏电池的开路电压为21.6V，为了满足A/D采样的范围要求，光伏电池电压需要通过10kΩ和1kΩ电阻进行分压。

接于蓄电池侧的电压传感器的连线方式如图3所示。

图3 电压传感器的连接方式

1.3 PWM生成和MOS管驱动模块

PWM波通过S3C44B0x的PWM定时器编程产生。两片TL494需要2路控制信号，其控制信号从S3C44B0x的I/O端口输出。两片TL494的输出信号通过或门74HC32进行或运算，相比于或门74LS32，采用74HC32或门的优点在于其是CMOS器件并且兼容TTL电平，或运算的输出与PWM波又进行一次或运算。然后或运算输出信号接到驱动模块IR2110的输入端。下面对MOS管驱动芯片IR2110[1-2]进行介绍。

IR2110的具体应用电路如图4所示。

图4 IR2110的具体应用

1.4 TL494脉宽调制电路

TL494是一种固定频率脉宽调制电路，它包含了开关电源控制所需的全部功能，广泛应用于半桥式、全桥式开关电源。TL494用在充电回路中作用是控制第二阶段和第三阶段的恒压充电过程。

由于第二阶段蓄电池恒压充电电压范围为14.4～15V，本文取为15V。为了将其转换成A/D采样范围内的电压值，需要经过图5所示的电路进行转换。

图5 蓄电池电压采集与转换电路

电压传感器HNV025A输出二次电压Ui连到TL494的1脚。假设蓄电池电压为U，一次外接电阻和内阻之和为1.3+0.2=1.5kΩ。一次电流和二次电流比为2500：1000，二次电阻值为200Ω。所以从3端输出的电压值为：U／1.5×103×2.5×200 = U／3，LM324的作用是将 U／3的电压1/2分压后然后送到A/D采样端，目的是为了满足A/D转换器0～2.5V输入电压范围。

2 蓄电池充电

下面介绍蓄电池充电的普通常规充电方法，在此基础上提出一种全新的结合MPPT和蓄电池充电的控制策略。

2.1 恒流充电

恒流充电[3]是用分段恒流的方法进行充电。一般是通过充电装置自身调整来实现的。可以任意选择和调整充电电流，适应性较强，特别适用于小电流长时间充电，也有利于容量恢复较慢的蓄电池充电。缺点是初始充电电流过小，充电后期充电电流又过大，充电时间长、析出气体多、对极板的冲击较大、能耗较高、效率较低。

2.2 恒压充电

恒压充电是指每只单格蓄电池均以一恒定电压进行充电。特点是：初始充电电流相当大，蓄电池电动势和电解液体相对密度上升较快，随着充电的延续，充电电流逐渐减小，在充电终期只有很小的电流通过；充电时间短、能耗低，一般充电4～5h蓄电池即可获得本身容量的90%～95%。主要缺点为由于初始充电初电流过大，对放电深度过大的蓄电池充电时，会引起初始充电电流急骤上升，易造成被充蓄电池过流或充电设备损坏。

除了上述两种传统的方法外，为了缩短充电时间和提高充电的效率，提出了一些新颖的充电方法[4]。包括脉冲快速充电法、变电流间歇充电法、变电压间歇充电法等。

2.3 优化充电方法

由于光伏电池呈现非线性特性，输出容易受到太阳光辐射和环境温度的影响。通过常规的充电方法如恒压、恒流和脉冲充电等都不能满足系统的需求。系统主要实现的目标不仅在充电过程中最大限度地利用光伏阵列的输出功率，而且要合理充电以减少充电损耗并延长蓄电池的寿命。下面介绍在光伏系统中结合MPPT控制和蓄电池充电的一类优化充电方法[5－6]，此充电策略分为三个阶段。

1）第一阶段，刚放电后的蓄电池可接受电能能力强，此时采用MPPT控制算法。换言之也就是在Cuk充电回路中最大程度地利用光伏阵列的输出功率。在此阶段，蓄电池有很强的电流接受能力并且不容易被充坏。这里要注意充电电流要小于0.1C，即0.1×1.2=0.12A。过电流将使电解液温度升高、极板弯曲变形、活性物质脱落和正极板的腐蚀速度加快。这样会缩短蓄电池的使用寿命。这一阶段需要充到蓄电池额定容量的80%～90%。

2）第二阶段采用PI恒压控制调节。在这一阶段中，随着蓄电池电动势的升高电流值在下降。这样会使电解液温度降低、溢出的酸雾减少。能提高蓄电池充电过程中的性能、改善电池充电效率。此阶段蓄电池需要充到其额定容量的97%以上。

3）第三阶段当蓄电池接近充满时，进入浮冲阶段。此阶段采用PI恒压控制调节，小电流对蓄电池充电以补充自放电造成的电能损耗。

针对上文选定的蓄电池，循环使用时充电电压范围为14.4～15V；作为备用使用时（如应急灯）充电电压范围为13.5～13.8V。第二阶段恒压电压值设为15V，第三阶段恒压电压值设为13.5V。

主程序的主要功能是控制蓄电池充电过程。第一阶段，通过2个I/O端口控制TL494的死区控制端（4脚）使TL494无脉冲输出。此时PWM波通过PWM定时器产生。初始占空比设为50%，周期为50μs 。然后通过采集光伏电池的电压和电流信号进行MPPT控制，MPPT控制算法选用爬山法。第二阶段需要利用一片TL494进行恒压控制，此时S3C44B0x的PWM定时器端口需定义成普通的I/O口并赋0值，另一片TL494控制其无脉冲输出（I/O口赋1值）。第三阶段和第二阶段相类似。

充电各阶段的转换可以用充电容量作为判据。对于新蓄电池而言，首先需对其进行放电实验。本实验采用12V的直流风扇作为负载，放电截至电压设定为10.5V。通过电流传感器对放电电流进行采样并送至A/D转换器端口，电流对时间的积分即为放电容量。充电容量的计算与放电容量的计算如出一辙。充电容量可以进行如下近似计算：

由于用到了4路ADC通道，进行一次A/D转换的时间为10.2 μs，ADC转换通道时需要的等待时间设为15 μs。所以总的时间为4×（10.2+15）=100.8μs。此时间乘以蓄电池充电电流值，并进行自加运算，这样可以近似求得蓄电池的充电电量。主程序流程图如图6所示。

3 实验数据分析

最初实验选取的电流传感器型号为HNC-03SY，其额定测量电流为3A，二次为电压信号输出，由于光伏电池输出的电流很小，相比于3A的额定测量电流，数值偏差很大。并且二次输出的电压信号含有部分的噪声。MPPT以两个时刻的功率值进行比较然后进行控制，如果电流传感器采集出来的信号不能如实反映光伏电池的输出电流，MPPT控制功能有可能失效。为了解决这一问题，选取型号为QBC0.3A05的电流传感器，额定测量电流为300mA，二次为电流信号输出。通过两次实验的对比发现更换电流传感器之后，光伏电池电流测量的准确度得到了提高。蓄电池放电至10.5V后，其电压自恢复至11.84V。每隔两分钟记录MPPT充电阶段蓄电池电压和充电电流数据。绘出蓄电池充电特性曲线，如图7所示。

图6 主程序流程图

图7 蓄电池充电特性曲线

通过第一阶段MPPT充电的实验数据可以得出如下结论：初始充电时，蓄电池接收电流能力较强，所以电压上升速度比较快。充电中期随着充电时间的增加，电压缓慢地增加。充电后期电压不是稳步地上升，存在一个波动的过程。从t=22∶54到t=22∶56时，蓄电池电压从13.37V突增至14.03V，产生这一问题的原因可能由DC-DC电路的特性所决定。通过实验数据可以发现第一阶段充电过程中，光伏电池会随着蓄电池充电电压的上升不断调整工作点，使其向最大功率点的方向运动，DC-DC电路能够最大程度地利用光伏电池的输出功率。通过第二阶段近5h的实测数据可以得到：蓄电池电压从14.74V开始上升并稳定在14.87V。但是充电电流一直处于下降的过程，从51.5mA逐渐下降至31.2mA，这与蓄电池恒压充电的特性相吻合。从而很好地验证了TL494恒压电路设计的正确性。

4 结束语

本文对基于ARM的储能型独立光伏充电系统进行研究，首先对储能型独立光伏系统外围电路硬件部分进行设计，主要包括电源模块、信号采集模块等模块。然后对系统的软件部分进行了设计。

在对比分析既有蓄电池充电方法的优劣前提下，针对光伏系统提出了一种结合MPPT和蓄电池充电的全新优化控制策略，并对实验数据进行了分析，实验数据表明该策略能够实现对电池储能装置的最优控制并大幅提升电池充电使用效率。

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[3]王金勇. 蓄电池几种充电方法的优劣[J]. 设备管理与维修，2003（4）:14.

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