基于MPPT的光伏蓄电池脉冲充电技术研究

易 磊，黄启元，李嘉泽，刘成勇，朱双喜

(华中科技大学电气与电子工程学院，湖北武汉 430074)

光伏发电是当前太阳能资源利用的一种十分重要的途径，但它存在间歇性、随机性等特性，这要求光伏系统实现发电和储能控制平衡。蓄电池是光伏系统中常用的储能装置，实际使用中常常会因充放电问题使得蓄电池寿命短、容易失效。考虑以上因素，目前已有许多光伏发电控制器的设计方案和蓄电池充电策略。

文献[1]对现有铅酸蓄电池充电控制策略进行分类与归纳，总结了不同充电策略的特点与应用场合。文献[2]设计了一种充电电路拓扑，提出一种三阶段充电策略，保证充电电流处于马斯曲线内。但其仍然采用的是连续式充电策略，在蓄电池端电压接近饱和时，电池可接受充电电流将变小，充电效率降低。文献[3]将MPPT 与三阶段充电策略结合，保证太阳能的利用效率。但其未考虑蓄电池充电末期的极化等现象，使得充电末期充电速度慢，而且电池极化、析气将对电池寿命造成损伤。

针对以上问题，本文结合MPPT 与蓄电池脉冲充电技术，提出基于MPPT 的脉冲充电控制策略，在提高太阳能利用效率的同时，对蓄电池有一定的保护。

1 光伏电池充电控制系统

光伏电池充电控制系统见图1，包括光伏电池，DC/DC 变换器，蓄电池及控制器。光伏电池将太阳能经过光电效应转变为电能，直流变换器采用BUCK 降压电路，对蓄电池进行充电。

图1 光伏电池充电控制系统结构框图

图1 中，控制器ADC 模块采集光伏电池与蓄电池的端电压和电流，处理器通过数字控制技术实现光伏电池MPPT 和蓄电池脉冲充电算法，输出PWM 信号通过驱动电路后控制DC/DC 变换器开关工作。

2 MPPT 与蓄电池阶段式充电控制

2.1 最大功率点跟踪控制

光伏电池输出电压和电流受外界光照强度、温度以及电路负载变化的影响，图2 所示为光伏电池工作特性曲线。在环境条件一定时，光伏电池输出功率随电压非线性变化，存在最大功率点[3]。

图2 光伏电池P-V特性曲线

从图2 可知，在外界环境条件一定时，当负载与光伏电池内阻相等时，光伏电池输出最大功率。光伏电池MPPT 控制原理正是通过调节直流变换器的占空比，使得负载与光伏电池等效内阻相等，从而达到最大功率点跟踪。

常规MPPT 控制算法以光伏电池P-V特性曲线的单峰值为基础，主要有恒定电压法、扰动观察法和电导增量法等[3]。本文为实现光伏系统MPPT 控制的准确性与快速性，采取电导增量法来跟踪光伏电池最大功率点，具体控制算法流程图见图3。

图3 电导增量法控制流程图

图3 中电导增量法是根据光伏电池功率和电压的导数来调节输出功率，从而实现最大功率点跟踪。光伏电池最大功率点处功率和电压导数为零，当光伏电池工作在最大功率点左侧时，需要对电压进行正向调节；当工作在最大功率点右侧，需要对电压进行反向调节。

2.2 蓄电池阶段充电控制

蓄电池作为光伏系统中重要的储能装置，主要用于储存多余的电能和对负载进行放电，因此蓄电池的充放电控制对于光伏系统有重要意义。传统的充电方法有恒压充电法、恒流充电法和三阶段充电法等[4]，其中三段式充电方式因为具有恒压充电与恒流充电的优点，目前有一定的应用。

三阶段充电实现过程是首先对蓄电池小电流修复充电，然后进行大电流充电和恒压充电，最后完成浮充充电。若刚开始蓄电池处于深度放电的状态，初始电压过低，为避免充电电流过大，对蓄电池进行小电流修复充电。随着电池的电压上升，当上升到电池能接受大电流时，则进行大电流充电。当电压升高到一定的值后，蓄电池进入恒压充电阶段。当电流下降到一定值，蓄电池接近充满，开始进入浮充阶段。

三阶段充电控制虽可以实现蓄电池正常充电，但为了最大限度地利用太阳能，本文将MPPT 与三阶段充电策略相结合，由MPPT 充电取代传统的大电流充电阶段，从而保证光伏电池最大功率输出，图4 为MPPT 与阶段充电控制流程图。

图4 中，初始设置电池电压和电流最大值，当电压和电流较小时启动MPPT 对蓄电池充电，充电电流达到最大电流后切换到恒流充电，当电压达到最大功率点时进入恒压充电，最后阶段采用浮充充电。相较于传统三阶段充电，MPPT 充电可实现光伏电池最大功率输出，并且加入恒流充电后可以限制MPPT 充电时电流过大，以此来保护蓄电池。

图4 MPPT与阶段充电控制流程图

3 蓄电池脉冲充电控制

3.1 脉冲充电

脉冲充电可以实现快速充电，提高蓄电池的电流接受能力。因为充电方式为脉冲，充电期间对蓄电池进行充电，而间歇期间停止对蓄电池充电，提供电解水副反应所产生的氢气和氧气重新化合的时间，使蓄电池重新回到最佳状态[5-7]。

传统三段式充电方法在充电后期，充电电流比较小，导致较长的充电时间。本文提出在充电末期采用脉冲充电缩短充电时间，提高蓄电池的电流接受能力并且延长蓄电池的使用寿命。

3.2 MPPT-脉冲充电

本文提出的新型充电策略，在充电前期采用MPPT 充电，而在充电末期采用脉冲充电，既保证光伏电池最大功率输出，同时也可以加快充电速度，延长蓄电池使用寿命。基于MPPT 的蓄电池脉冲充电策略流程图见图5。

图5 中，初始采用小电流充电激活蓄电池，之后采用MPPT 充电和恒流充电，当蓄电池容量充至80%时进入脉冲充电，后期随着脉冲充电进行，脉冲周期增大，占空比逐步减小，最后结束充电。

图5 基于MPPT的蓄电池脉冲充电流程图

基于MPPT 的蓄电池脉冲充电电路见图6，控制开关管Q1 实现涓流、MPPT 和恒流充电，进入脉冲充电阶段前，Q2 始终处于导通状态。随着蓄电池容量增加，进入脉冲充电阶段时，用PWM 控制开关管Q2，Q2 断开时，光伏电池无法向负载供电，以此来实现脉冲[6-7]。

图6 基于MPPT的蓄电池脉冲充电电路

4 仿真分析

4.1 MPPT 充电仿真

为验证蓄电池初始阶段MPPT 充电控制策略的可行性，在Matlab/Simulink 中对光伏系统蓄电池MPPT 充电阶段进行仿真，采用电导增量法搭建的蓄电池MPPT 充电控制模型见图7。其中光伏板特性曲线如前述图2 所示，初始光照强度为1 000 W/m2，2 s 时光照强度受扰动变为500 W/m2，温度恒定为25°C 不变，蓄电池选用12 V/20 Ah 的铅酸蓄电池模型。

图7 蓄电池MPPT充电控制模型

图8 为MPPT 充电仿真结果。从图8 可知，在MPPT 充电模式下，2 s 光照强度变化前后可计算得到蓄电池充电功率分别约为183 和94 W，对比图2 中光伏电池特性曲线，可知光伏电池工作在最大功率点，从而验证采用电导增量法实现MPPT 充电的可行性。

图8 MPPT充电仿真结果

4.2 浮充与脉冲充电对比仿真

为对比蓄电池末期采用浮充充电和脉冲充电的控制效果，分别搭建浮充充电和脉冲充电控制策略图如图9 所示。

图9 蓄电池浮充与脉冲充电控制策略

图9(a)浮充充电控制采用将给定电压13.2 V 与蓄电池采样电压进行PID 运算后输出PWM，控制开关管Q1 的占空比，从而实现对蓄电池的浮充充电。图9(b)脉冲充电设定给定电压为13.6 V，同样经过PID 运算后输出PWM 控制开关管Q1通断，Q1 占空比为可变值，脉冲电流大小由Q1 控制。脉冲周期与占空比由Q2 控制，占空比为80%，脉冲周期为1 s。

设定蓄电池末期的初始电池容量为90%，此时光伏系统蓄电池将进入浮充充电与脉冲充电模式。将图7 中控制部分分别采用浮充充电与脉冲充电进行仿真，其余环境条件保持不变，得到仿真结果见图10。

由图10 仿真结果可知，从第二阶段MPPT 模式退出后，第三阶段脉冲充电模式下的电流5 A 大于浮充充电模式下的电流1.8 A，在仿真的4 s 时间内，脉冲充电下蓄电池容量增加0.22%，浮充充电下蓄电池容量增加0.07%，脉冲充电的充电电流和充电速度为浮充充电的三倍左右。因此与传统的浮充充电方式相比，脉冲充电方式大大缩短蓄电池充电时间，有效地延长了蓄电池的寿命。

图10 蓄电池浮充与脉冲充电仿真对比图

5 结论

本文基于最大功率点跟踪技术，提出一种蓄电池充电策略，能够提高光伏发电效率，缩短蓄电池充电时间，并且延长蓄电池的使用寿命。在Simulink 中搭建光伏系统蓄电池充电仿真模型，分别对蓄电池初始阶段MPPT 充电策略和后期脉冲充电策略进行仿真，验证了本文充电控制策略的可行性。