基于单片机的船用太阳能充放电控制器的开发

蔡新梅，于 丽

基于单片机的船用太阳能充放电控制器的开发

蔡新梅1，于 丽2

（1. 辽宁省葫芦岛市渤海船舶职业学院电气工程系，辽宁葫芦岛 125005；2. 中国石油集团川庆钻探工程有限公司长庆钻井总公司，西安 710021）

为了减少海洋污染，充分利用绿色能源，研究了太阳能电池板的特性。设计了利用单片机控制的太阳能充放电控制器，对部分电路进行仿真测试。通过太阳能电池板的输出特性，找到了适合太阳能电池板的最佳输出电压及电流。利用上限及下限值设置，在单片机中通过程序控制电路是否充电。将船舶直流电源改为利用太阳能，绿色环保。

太阳能 充放电器 单片机

0 引言

目前船舶所用电能是由柴油发电机进行发电，由配电系统变为一定的交流电后输送到设备上，或者将电能储存在蓄电池中，变为直流电输出给部分用电设备供电。随着光伏技术的不断发展，在船舶上使用太阳能光伏进行发电是一个绿色环保的趋势。

船舶上应用太阳能充放电是一种新的尝试，目前市面上的充放电器种类很多，应用场合也各有不同，但是船舶是一个特殊的载体，不同的船舶的结构、高度、重量各有不同，因此不同船舶所用的太阳能充放电器要有针对性地进行设计，另外，船舶受天气、海况的影响，所用元器件及其外围保护要给予充分考虑。

1 船用太阳能充放电控制器设计方案

船用太阳能充放电器主要为船舶上使用直流24 V供电的设备供电，本设计采用单晶硅太阳能电池板，安装在船舶顶棚向阳一侧，太阳能电池板在有一定光照强度下的开路电压为42 V，接入控制器后的电压为34 V，蓄电池的电压为20-28 V[1]。

为了检测蓄电池工作是否正常，需要充放电控制器检测蓄电池输出电压和输出电流，具体要求如下：

1）当检测到蓄电池电压达到一定值时，使用控制器控制连接太阳能电池板与蓄电池之间的MOS管的开关，以PWM的方式，降低充电电流以进一步为蓄电池充电，直到最后用很微小的电流将蓄电池电压维持在某一固定值。

当控制器检测到蓄电池输出电压高于太阳能电池板输出电压则自动关闭充电系统。

2）当蓄电池电压低于20 V时，自动关断负载（欠压关断）并报警。当电压从20 V回升到25 V时自动接通负载。

3）当控制器检测到放电电流高于12 A，则控制器要自动切断负载并报警。

2 船用太阳能充放电控制器设计

船用太阳能充放电控制器硬件设计如图1所示，太阳能电池板将光能转换为电能，单片机对太阳能电池板输出电压及电流进行采样，将其电压与电流与充电蓄电池当前电压与电流进行比较，当前者小于后者时，对蓄电池进行充电，当采样电压不在正常范围内则启动报警功能。太阳能充放电控制器硬件电路如图1所示[2]。

图1 太阳能充放电控制器硬件电路框图

2.1 船用太阳能充放电器主电路设计

控制器系统主电路如图2所示，控制器主要由太阳能电池板、BUCK降压电路、开关管IGBT驱动电路、采样电路、及外围输出电路构成。

图2 控制器系统主电路

太阳能电池板将光能转换为电能，根据太阳能电池板特性及工作原理，以及影响太阳能电池工作效能的因素，太阳能电池板的输出电流与输出电压的关系为[3]：

式中，：太阳能电池板的输出电流(A)；：太阳能电池板的输出电压(V)；：单个电子所含的电荷量(l.6x10-19C)；：波尔兹曼常数(l.38×10－23J/K)；：太阳能电池板表面温度(K)；：太阳能电池板的理想因数(n=1-5)；0：表示太阳能电池板的逆向饱和电流。

由此可得到太阳能电池板不同照射度和不同温度条件下的曲线，如图3所示。

图3 太阳能电池I-V特性曲线

由图3特性曲线可以看出辐照度主要影响太阳能电池的短路电流，温度主要影响太阳能电池的开路电压，所以电路中要有保护电路，从图中还可以看出，太阳能电池板输出稳定电压为15 V，所以BUCK电路输入电压设定为15 V。

2.2 BUCK电路设计与仿真

由于太阳能电池板可以将光能转换为直流电源，但这个电源随着光强的变化而变化，很不稳定，为了给蓄电池提供可靠稳定的直流电源需要用到DC/DC变换电路，再利用变换电路来实现太阳能电池内阻与外电路的等效阻抗进行匹对，从而保证太阳能电池的最大输出功率，本设计采用的是BUCK电路，电路设计及仿真如图4、5所示[4]。

图4 BUCK仿真电路

图5 BUCK电路仿真波形

2.3 过流保护电路

过流保护电路如图6所示，利用100 kΩ电阻进行限流，通过比较器LM311对采样电流转换的电压进行比较，LM311的3脚接10 kΩ 电位器用以调节比较基准电压，输出后接100 Ω的限流电阻与后面的220 μF电容形成保护时间控制。当电流过流时，比较器输出高电平保护，防止损坏后续电路[5]。

图6 过流保护电路

3 船用太阳能充放电控制器软件设计

本设计采用单片机进行控制，主要涉及到太阳能电池板输出电压及输出电流采样，如果输出电压及电流超出预设保护值，则系统控制电路不给蓄电池充电，如果输出值在保护值范围内，且在蓄电池电压降至某一值时给蓄电池充电，当充电结束后自动中断充电回路，以保证充电可靠有效，同时，单片机将蓄电池当前值显示出来，如果由于不当原因使蓄电池输出电压或电流不在正常值范围内，则进行报警，系统主程序流程图如图7所示。

图7 系统主程序流程图结束

4 小结

本设计采用单片机来控制太阳能充放电器，该设备能可靠有效地运行，外部有采样电路、电压、电流保护电路、显示电路、报警电路等，在软件设计中采用太阳能电池板输出电压、电流及蓄电池输出电压及电流进行采样的方法，利用上限值和下限值决定对设备是否充电，从而进一步保护了硬件电路。

[1]杨金焕. 太阳能光伏发电应用技术[M]. 北京: 电子工业出版社, 2009.

[2]胡雨亭. 太阳能充放电控制器的研究[D]. 北京：北京交通大学, 2013.

[3]林静. 光伏充放电器及其应用研究[D]. 北京：北京交通大学, 2014.

[4]刘清. 船用太阳能电池组件日光照射性能仿真[J]. 舰船科学技术. 2016,(12): 40-42.

[5]刘超然, 康建军等. 海洋型光伏充放电控制器的设计研究[J]. 海洋技术学报. 2015, (10): 43-46.

Development of Marine Solar Charge and Discharge Controller Based on Single-Chip Microcomputer

Cai Xinmei1, Yu Li2

(1. Bohai Shipbuilding Vocational College, Huludao 125005, Liaoning, China; 2. China Petroleum Group Chuanqing Drilling Engineering Co., Ltd. Xi'an 710021, China)

TM571

A

1003-4862（2019）03-0026-03

2018-10-30

蔡新梅（1979-），女，副教授。研究方向：电子与通信技术的教学与研究。E-mail: caixinmei@sina.com