基于Simulink的太阳能高效充电控制器设计

范佳林，顾俊杰，周 敏，郭迎庆

（南京林业大学机械电子工程学院，南京210037）

随着传统能源开发利用所造成的生态环境污染问题日益增长，可持续发展的清洁能源越来越受到重视，因此发展以清洁太阳能为能源的发电系统具有重要意义[1]。

然而传统光伏发电转换效率较低，作为光伏发电与蓄电池连接的中心枢纽的光伏发电控制器对提高转换效率具有关键作用，最先进的控制器核心是PWM控制方式，充电拓扑结构引入Buck 电路拓扑，通过利用光伏电池输出与所接负载之间存在的一个使光伏电池输出功率最大的最佳匹配点，来实现太阳能板在最大功率点附近充电，极大地提高充电效率[2-5]，在此基于Simulink的太阳能充电控制器，通过判别采集的电流电压大小，依据模糊控制算法产生一个可控制的PWM 信号，经由驱动电路控制Buck-Boost变换器的工作模式来给蓄电池充电，从而提高光伏电池的发电效率和蓄电池的使用寿命。

1 太阳能充电控制器总体结构

太阳能是一种新兴的可再生能源，资源丰富，环保无害，但使用过程中却存在着不稳定性，随着时间和温度的变化，太阳能的变化最明显，因光伏太阳能板在工作过程中受光照强度和温度的影响，所以在仿真的过程中，选取8：00—16：00的时间段进行仿真，依据实际情况，一般条件下的太阳能板强度变化曲线及环境温度变化曲线如图1所示，上午与下午的太阳能光照强度和环境温度相比于中午的较低，光伏太阳能板模块通过输入太阳能板辐照强度信号和环境温度信号，模拟真实环境下太阳能板输出的电压与电流。

图1 太阳能电池板辐照强度、环境温度变化曲线Fig.1 Curves of solar panel strength and ambient temperature

在此所设计的太阳能充电控制器，使蓄电池能够在不同电信号状态的太阳能电池板下充电，提高蓄电池的充电效率，太阳能充电控制器主要由太阳能电池板、DC/DC转换电路、PWM 处理部分组成，其总体结构如图2所示。

图2 太阳能充电控制器总体框图Fig.2 Overall block diagram of the solar charge controller

通过信号采集，经过模糊控制算法得到对应的PWM 信号占空比，从而高效地适应太阳能电池板不同电信号下充电的模式。PWM 信号控制Buck-Boost电路以输出对应的稳定电压给蓄电池充电，最后蓄电池反馈电流和电压信号给PWM 处理环节，以了解蓄电池充电情况，及时调整PWM 信号。

2 DC/DC转换电路设计

太阳能发电系统的输出为波动的直流电，因此需要DC/DC转换电路实现整流、滤波、稳压，Buck-Boost 电路是开关电源6种基本DC/DC变换拓扑之一，是一种允许输出电压大于、小于或者等于输入电压的DC/DC 斩波电路，Buck-Boost 电路亦有许多分类，经过综合考虑，在此选用SEPIC（single ended primary inductor converter）电路，如图3所示，其输入输出为同极性，且输出脉动小。

图3 SEPIC 斩波电路原理Fig.3 SEPIC chopper circuit schematic

在SEPIC电路中，当开关管Q 受控制电路的脉冲信号触发而导通时，V1—L1—Q 回路和C1—Q—L2回路同时导通，L1和L2储能；Q 处于断态时，V1—L1—C1—D—负载（C2和R）回路及L2—D—负载回路同时导通，此阶段V1和L1既向负载供电，同时也向C1充电，C1储存的能量在Q 处于通态时向L2转移，因此SEPIC电路能够通过开关管的通断保持输出电压稳定在某一区间[6-7]。

3 铅酸蓄电池分析

作为大众化的低成本二次电池，铅酸蓄电池凭借其高可靠性、高功率密度、高效率及高性价比等优点，在汽车、通信装置、能量贮存等领域得到了广泛使用[6]。

由于铅酸蓄电池适用范围较广，有多种充电制度，因此需要根据实际情况选择合适的充电方法。常见的充电方法有恒电流充电、恒电压充电、涓流充电、浮充电等。

典型12V-18AH 铅酸蓄电池充电状态的变化如图4所示，可以看出，蓄电池在完全放电状态首先进行恒电流充电，同时保持较低充电电压，在一定时间后调整为恒电压充电，同时保持较低充电电流，这种方法综合了恒电流充电与恒电压充电的优点，即充电初期大电流易被电池接受，充电后期恒压小电流能有效避免过充现象，保障电池寿命[7]，由于控制器设计选用SEPIC电路，其输出电压相较电流更稳定，因此将采用恒电压充电，以保证充电过程控制的平稳。

图4 典型电池充电过程Fig.4 Typical battery charging process

为了能够进行有效分析，快速调整方案，对充电控制器进行Simulink 仿真。对于铅酸蓄电池，若需要对其进行准确模型仿真将涉及到热力学、电极动力学、固相、电解液相等诸多复杂的方面，而且许多模型建立所需的参数，一般蓄电池生产制造商也并不会给出，因此独立进行电池模型建立较为困难[8]。得益于Simulink内置了铅酸蓄电池的电路模型，对其进行简单设置，就能够得到可用的仿真蓄电池。

在Simulink 中，将电池模型正负端接入电路，通过式（1）计算确定蓄电池实时状态，即

式中：E0为恒压电压；K为极化常数；Q为最大电池容量；i*为低频电流动态参数；Qt为电池实际容量；exp（s）为指数区动态参数；sel（s）为电池工作模式，当sel（s）=0表示电池充电，sel（s）=1表示电池放电。

最后，通过m端口输出观察蓄电池当前电量、电流及电压情况，便于仿真，铅酸蓄电池仿真运行时内部数学模型如图5所示。

4 模糊控制

传统控制方法要求对受控模型有准确的数学模型描述，但实际应用过程中，受控对象往往含有诸多无法通过数学模型准确描述的特点，如铅酸蓄电池充电过程中存在非线性、时变性等特点，此时传统的控制模式对控制对象难以准确控制，而通过将人的思维、经验判断转化为简单的数学表达，从而实现对复杂对象的有效控制，即模糊控制，就能大大降低控制难度[11-13]。

图5 铅酸蓄电池电路数学模型Fig.5 Mathematical model of lead-acid battery circuit

该模糊控制器以蓄电池的充电功率信号作为输入，以PWM 信号的修正占空比作为输出，通过模糊规则设置使蓄电池充电功率接近最大，同时保证充电平稳性，避免电压或电流出现较大波动损害蓄电池寿命，模糊控制器使用三角形隶属度函数对输入dP的模糊化处理和对输出dD的去模糊化处理，实现对充电过程的模糊控制，保证充电的安全与效率。模糊控制规则见表1，模糊控制输入与输出隶属度函数图形如图6所示。

表1 模糊控制规则Tab.1 Fuzzy control rules

图6 模糊控制输入dP和输出dD 隶属度函数Fig.6 Fuzzy control input dP and output dD membership function

5 仿真分析

5.1 SEPIC电路模型

SEPIC电路以光伏太阳能板模块输出的电压作电路输入电压，经过由PWM 信号控制的MOSFET改变电路状态，输出稳定电压为铅蓄电池充电，设置SEPIC电路电感L1为1 mH，L2为10 mH；电容C1为47 μF，C2为220 μF；电阻R1为1 Ω，R2为10 Ω。电池模型的种类为铅酸蓄电池，额定电压为18 V，额定容量为18 A·h，设定的初始电池电量为99.998%，电池的响应时间为30 s，SEPIC电路仿真如图7所示。

图7 SEPIC电路仿真示意图Fig.7 Schematic of SEPIC circuit simulation

5.2 控制电路子系统

控制电路子系统[14]包括实时PWM 信号输出及PWM 占空比修正，实现对蓄电池充电的模糊控制。子系统首先采集电路输入电压，经过如图7所示流程取一定精度电压值通过查表计算确定所需要输出的占空比，模糊控制系统采集电池充电的电压与电流信号作为模糊控制的输入信号，通过如图7所示流程，由模糊控制规则计算输出占空比所需修正的数值，最终修正后的占空比信号输出至电路控制电池充电。

图8 模糊控制规则Fig.8 Fuzzy control rules

在模糊控制器中，经由规则控制（如图8所示），输入量与输出量构建出确定的映射空间，通过映射空间映射关系，确定对于电池充电功率变化dP，占空比需要的变化量dD。

5.3 仿真结果分析

相较于恒压控制，模糊控制下输出电压略有提高，充电电压曲线仿真结果如图9所示，由于电压变化较小，可视为具有稳定的恒压输出。

图9 充电电压曲线Fig.9 Charging voltage curve

模糊控制与恒压控制所得输出电流均较小，但前者电流略大于后者，充电电流曲线仿真结果如图10所示，图中负值表示输入，较小充电电流有利于避免过充现象，但两者中间波动都较频繁，会损失一部分充电效率。

图10 充电电流曲线Fig.10 Charging current curve

充电电池电量曲线如图11所示，采用模糊控制的电池电量曲线，充电效率相比较于恒压控制而言，提升较为明显，同时满足蓄电池充电后期恒压电流小的要求，由此表明所设计的太阳能充电控制器能够对蓄电池进行高效充电。

图11 充电电池电量曲线Fig.11 Rechargeable battery power curve

6 结语

通过对太阳能充电控制器各组成部分的研究，以及后续集成的综合考虑，最终确定了设计方案；通过Simulink 进行模型仿真，确定了该方案的可行性；通过与恒压控制的比较，发现采用模糊控制的电池充电电压与电流均略高，充电效率提升较为明显，达到提升充电效率的设计目的，后续将通过对控制器算法进行改进，使充电曲线尽可能符合蓄电池充电特性曲线，以期进一步提高充电效率。

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