基于MPPT的太阳能充电控制器的设计

付蓉 张义雷 蒋富忠 周堃 赵俊东

摘 要：本文设计了一种具有MPPT功能的光伏发电充电控制器。通过单片机检测蓄电池充电电压、充电电流的大小，自动切换充电器的工作状态，有效地提高了蓄电池的寿命。在光照条件不足时，蓄电池的电压，电流未超出给定值，开启MPPT功能，保证整个系统最大效率的充电。经matlab仿真，该设计具有可行性。

关键词：太阳能 MPPT 充电控制 Matlab仿真

中图分类号：TM91 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2018）01（a）-0028-04

Abstract： This paper designs a photovoltaic power charging controller with MPPT function. The machine can detect the charging voltage of the battery， the size of charging current， and automatically switch the working state of the charger， effectively improving the battery life. When the lighting condition is insufficient， the voltage of the accumulator is not exceeding the given value， and the MPPT function is opened to ensure the maximum efficiency of the whole system. Through Matlab simulation， the design is feasible

Key Words： Solar energy； MPPT； Charge control； Matlab

光伏发电技术由于可将无污染、可再生的太阳能转换为方便存储的电能，因此在全球能源紧张和环境污染严重的今天，日益受到人们的关注和重视。然而，光伏发电一直面临着转换效率低的问题。提高转换效率，这在民用和工业上都是人们相当关注的焦点[1]。作为光伏发电技术与蓄电池连接枢纽的光伏充电控制器，对提高转换效率有着极其关键的作用。然而传统的蓄电池充电技术无法追踪光伏电池的最大功率点，造成能量的损失及利用效率较低的问题。本文设计的一种带MPPT控制的光伏发电充电控制器，在基于蓄电池三段式充电方式的基础上，加入MPPT功能，利用电导增量法控制策略，在光照不足时使光伏电池具有最大的功率输出，从而提高光伏电池的发电效率和蓄电池的使用寿命。

1 系统整体组成及设计

光伏发电充放電控制系统主要由太阳能电池阵列、控制器和蓄电池组成。

图1所示的控制器主要由DC-DC变换电路，检测电路，驱动电路，微处理器等部分组成。检测电路通过AD采样，得到充电电流和电池电压，来控制充电状态。同时根据蓄电池的状态，以决定是否进行MPPT控制，微处理器通过改变产生PWM的占空比来达到控制目标。

2 硬件设计

2.1主电路设计

本设计选用的太阳能电池参数特性如下：峰值功率为60W，在T=25℃，S=1000W/m3时，开路电压VOC=21.3V，短路电流ISC=3.74A，最大功率点电压VPM=17.5V，最大功率点电流IPM=3.43A。蓄电池为铅酸蓄电池12V-38AH。为了使太阳能电池较好地符合充电要求，DC-DC变换电路选用降压型BUCK换器[2]，其主要电路原理图如图2所示。

2.2 驱动电路设计

对于Buck DC-DC变换电路的开关管Q_1需要设计驱动电路。采用驱动芯片a3120，芯片结构图如图3所示，该芯片为光电耦合MOSFET栅极驱动芯片，工作电压为15～30V，输出侧驱动电流可达2A。芯片采用光电耦合将驱动电路与控制电路完全隔离，体积小，结构简单，应用方便。由DSP产生的PWM信号作a3120输入，输出给开关管的栅极，驱动MOSFET，如图4所示。

系统需要检测的参量有电池组侧电压Ubat、充电电流Ibat、光伏电池两端的电压Upv与电流Ipv。电压的检测较为简单，通过选用合适阻值的电阻进行分压即可，不再详述。充电电流I1的检测使用MAX471电流检测芯片。MAX471是美国MAXIM公司推出的精密电流传感放大器，内置35mΩ精密传感电阻，可测量电流的上下限为±3A，其结构图如图5，图6所示，在输出端OUT接2kΩ1%精密电阻将电流转化为对地电压输出。

3 软件设计

3.1 MPPT的算法设计

太阳能光伏电池的功率特性曲线是一个单峰函数，在功率最大值Vmax处dP/dV=0，在Vmax两端dP/dV的导数均不为0，若令step=A*abs（dP/dV）作为导纳增量法中的步长数据，在距离最大功率点较远时使A较大，在距离最大功率点较近时使A较小，通过设置合适的A，可以实现在最大功率的跟踪过程中的变步长跟踪[3]。算法流程图如图7所示。

3.2 充电控制的算法设计

本设计采用改进型的阶段充电法对蓄电池进行充电，充电过程分为3个状态，即MPPT全充状态、恒充状态、浮充状态[4]。主要依据采样蓄电池的充电电压值Ubat充电电流值Ibat来判断蓄电池充电阶段。整个算法的控制流程图如图8所示。由蓄电池参数特性可知道蓄电池的最大充电电流为0.3C，由此可以得出最大充电电流为11.4A，通过调节MOS管的导通关断情况来达到控制充电状态，达到控制要求。整个蓄电池的充电过程分为以下3种情况[4]。

（1）全充状态。蓄电池的开路电压Ubat<14.2V，我们认为蓄电池处于过放电状态。这时需要短时间内快速提高蓄电池电压，因此采用全充充电方法。启动MPPT功能，以能达到的最大电流给蓄电池充电。

（2）恒充状态。当充电电流达到3.8A时，此时应转入恒流充电状态，控制蓄电池的充电电流不超过0.1C。整个过程需要监测充电电压，一旦电流达到设定的最大值，开启恒压充电模式。

（3）浮充状态。当蓄电池的开路电压Ubat>14.2V，我们认为蓄电池的电压范围正常。执行浮充充电程序，当充电电流小于关断电流阈值时，切断充电回路，退出充电程序。

4 仿真模型

4.1 太阳能模型仿真

利用太阳能电池的开路电压，短路电流，最大功率点电压，最大功率点电流搭建太阳能电池模型，得出太阳能电池的伏安特性曲线与功率曲线，仿真结果如图9、图10所示。由仿真结果可以得知太阳能模型的正确性。

4.2 MPPT状态仿真

在蓄电池电压、电流均为超过设定值时，开启MPPT功能，分别检测太阳能电池两端的电流和电压，经过变步长的方法使之以最大功率输出。如图11所示，在该模式下，最终电压可以稳定在最大功率点附近。

4.3 恒充状态仿真

如图12所示，恒充狀态中有两个相互独立的PI控制环，分别是恒流和恒压。首先检测蓄电池两端电压，若低于SWITCH开关设置的阈值，则电流环电路导通，对蓄电池以10A的恒定电流进行充电；随着充电的不断进行，电压不断升高，当超过阈值时，则切换到电压环电路，以13.2V对蓄电池级进行恒压充电，以此来实现保护蓄电池的目的。整个充电过程的电压、电流和SOC曲线如图13所示。电压处于上升阶段，未达到限定值13.2V，此时处于恒流阶段，电流基本稳定在3.8A。

5 结语

通过仿真，可以验证本设计在三段式充电法的基础上进行改进，保护了蓄电池的使用寿命，同时可以根据蓄电池的状态，来决定是否开启MPPT功能，以发挥光伏电池的最大效应。

参考文献

[1] 付营飞.基于MPPT控制器的光伏系统设计研究[D].长安大学，2015.

[2] 王章权，裘杨杰.带MPP控制的光伏充电控制器的设计[J].电气电子教学学报，2011（6）：61-64.

[3] 时剑.太阳能最大功率点跟踪控制系统的研究与实现[D].苏州大学，2009.

[4] 林静.光伏充放电控制器及其应用研究[D].北京交通大学，2014.