基于光伏供电系统的小功率直流电源分析与设计＊

万小虎，赵玲霞，张芊蓉，张肃楠，盛海龙，祝 燎

（河西学院物理与机电工程学院，甘肃 张掖 734000）

1 引言

直辐射日照计对于了解太阳辐射变化、监测天气气候状况、分析和预报未来天气及光热电站对太阳能的监测都具有重要的意义。直辐射日照计通常安装在户外，工作时需要持续稳定的电源为其供电。目前，日照计供电电源要么采用市电，要么采用光伏供电电源。独立的光伏供电电源对于安装在户外的直辐射日照计，显然更加经济、便捷。

因此，本文针对日照计户外供电问题设计了一款基于光伏电池供电的小功率直流电源，该电源主要包括光伏电池、锂电池及充放电控制器等。为了使该电源能够持续、稳定地给日照计供电，设计的充放电控制器在充电时，能够根据光照不同，可分别工作于Buck、Buck-Boost、Boost三种模式。同时，采用STM32单片机作为控制核心，搭建控制电路，驱动芯片选择LM5109AM/NOPB，光伏电池及锂电池直流电压检测电路依据电阻分压原理进行设计。

2 光伏供电电源的基本构成

本文以太阳能光伏电池为电源，通过充放电控制器，对锂电池进行充电储能的同时为日照计供电。以下将日照计简称负载。光伏供电电源结构如图1所示，该电源由光伏电池、DC-DC电路、锂电池、直流负载、直流电压电流检测电路、驱动电路等构成。其中，锂电池的作用为在光照充足时存储电能，以便在光照不足或无光照时给负载供电。其充放电控制主要通过单片机STM32控制DC-DC电路，并结合直流检测电路及驱动电路共同实现。

图1 光伏供电电源结构图

当有光照时，光伏电池将吸收的太阳能转化为电能，经DC-DC电路对锂电池进行充电，同时为负载提供稳定的直流电压；当无光照时，锂电池释放所储存的电能为负载供能。光伏电池输出侧直流电压、电流检测一方面可实现光伏电池的MPPT控制，另一方面可防止因电压电流过高损坏DC-DC电路中的功率器件。锂电池直流电压电流检测电路，是防止其过放电现象的发生。

3 光伏供电系统的电路设计

3.1 DC-DC电路

DC-DC变换器是太阳能充电器的核心组成模块。常用的DC-DC拓扑结构形式主要有以下几种：降压斩波电路拓扑（Buck）、升压斩波电路拓扑（Boost）、升降压斩波电路拓扑（Buck-Boost）[1]。其中，Boost适用于太阳能电池输出端电压低于储能电池端电压场合；Buck适用于太阳能电池输出端电压高于储能电池端电压场合；Buck-Boost应用在独立的太阳能充放电控制器场合。本文所设计的太阳能充放电控制器，可根据光照分别工作于上述3种模式。电路结构如图2所示。

图2 主电路结构图

工作原理：Q5与Q6分别是2只主控管，Q4与Q7分别是2只同步整流管。当输入电压低于给定电压时，该电路工作于Boost模式，此时Q5一直导通，而Q7则一直关断，控制Q6实现对电压的调节；当输入电压高于给定电压时，该电路工作于Buck模式，Q4一直导通，而Q6则一直关断，控制Q5实现对电压的调节；而当输入电压介于给定电压范围之内时，电路工作于Buck-Boost模式[2-3]。3种工作模式根据不同需要进行切换，最终使DC-DC电路电压稳定在14.5 V左右。

当光照充足时，光伏电池输出电压较高，主电路工作于Buck模式，将光伏电池输出降压后对锂电池进行充电，同时为负载提供电能；当光照不足或无光照时，光伏电池输出电压可能低于锂电池充电电压，此时主电路工作于Boost模式，将光伏输出电压升高后给负载供电；当光伏电池提供的电能不足以供负载使用时，锂电池放电，为负载供能。当光伏输出电压在设定范围之内，则主电路工作于Buck-Boost电路模式。

3.2 驱动电路

此电路采用LM5109AM/NOPB驱动芯片，如图3中U8所示。MOSFET开通瞬间需要一个大的尖峰电流，定量计算出大约在0.6 A，而单片机输出的电流大约在5 mA，远远满足不了驱动作用[4]。因此，需要加入Q1、Q3射极跟随器，用来放大电流，以达到驱动效果。

图3 驱动电路

Q21、Q30均为NX7002AK,215，可起到硬件保护的作用。当BKPS、BKPM同时出现高电平时，若没有这2个元器件电路将会出现短路现象。而这2个元器件的存在，会将对方拉为低电平，从而起到硬件保护的作用。

3.3 检测电路

通过电阻分压对光伏电池及锂电池输出电压和输出电流进行检测，检测电路如图4所示。该电路采用NPN型的差分对[5-6]，Q10为比例电流源，电路的放大倍数为R111与R195之比。差分对为Q47左边三极管和Q46左边三极管所组成。采样电流放大器由于负反馈作用可以用运放的虚短路来分析采样增益。由于深度负反馈运放的输入端短路使得Q47左边三极管的发射极和Q46左边三极管的发射极电位相等。

图4 直流电压检测电路

4 仿真及实验结果分析

为验证光伏供电系统的可行性，应用MATLAB对电路进行仿真，仿真参数如下：直流负载参数为12 V/12 W；锂电池选用12V/50AH磷酸铁锂电池；光伏电池功率为200 W，额定输出电压为18 V。

4.1 仿真结果分析

实际中根据光照强度的不同，光伏电池输出电压可分为3种情况，分别为高于额定电压、等于额定电压、低于额定电压。在MATLAB仿真中，针对上述3种情形分别进行了仿真，以验证光伏电池输出电压在设定范围内变化时，所设计的DC-DC控制器均能将其输出快速稳定在目标值上。

给定太阳能光伏板的输出电流为3.8～4.0 A，输出电压为额定电压18 V时，太阳能光伏电池输出及DC-DC电路输出仿真波形如图5所示。

图5 光伏电池输出电压为额定值时仿真波形

图5（a）为光伏电池输出电压电流波形，图5（b）为光伏电池输出电压为18 V时的DC-DC电路输出电压仿真波形，由图5（b）可以看出，当DC-DC电路的输入电压为18 V时，其输出经0.5 ms后可稳定在14.6 V左右。

当光伏电池输出电压低于额定值时，假设光伏板的输出电压为16 V，即DC-DC电路输入电压为16 V时，其输出电压仿真波形如图6所示。

图6 光伏电池输出电压低于额定电压时的仿真波形

由图6（a）、（b）可以看出，当光伏电池输出电压低于额定值时，DC-DC电路也可以很快将其输出电压值稳定在14.5 V左右。

当光伏板的输出电压高于额定电压时，假设此时光伏板的输出电压为20 V，此时光伏板的电压电流输出波形及DC-DC电路输出电压波形分别如图7（a）、（b）所示。

图7 光伏电池输出电压高于额定电压时的仿真波形

由图7（a）、（b）可以看出，当光伏电池输出电压高于额定值时，DC-DC电路也能将其输出电压值稳定在14.5 V左右。

4.2 实验结果分析

为进一步验证基于光伏电池供电的直流电源设计方案的可行性，搭建了相应的实验电路。实验参数如下：

日照计用DC12V/10W的LED灯代替；锂电池选用12V/50AH磷酸铁锂电池；光伏电池功率为200 W，工作电压为18 V，工作电流为9.23 A，开路电压为22.41 V。

图8为电路工作时光伏电池输出电压波形。

图8 光伏电池输出电压波形

由图8可以看出，电路工作时光伏电池输出电压维持在22.4～24 V，实验时刻对应输出电压为23.6 V。

图9为光伏供电系统中DC-DC控制器输出端直流电压波形。

图9 DC-DC控制器输出侧电压波形

由图9可以看出，在白天有光照时，光伏电池输出电压经所设计的DC-DC控制器后，其输出电压相对稳定。当光伏电池输出电压在给定范围内变化时，DC-DC控制器的输出直流电压基本稳定在14.6 V左右，满足锂电池充电电压要求及直流负载供电要求。

5 结论

本文针对日照计户外供电问题，设计了一款基于光伏电池供电的小功率直流供电电源，并设计了以STM32单片机为控制核心的DC-DC充放电控制器。最后，在MATLAB软件中搭建了仿真模型，对光伏电池输出电压分别在等于额定电压、高压额定电压及低于额定电压3种情况下的DC-DC控制器的输出进行了仿真，并搭建了实验电路，进一步验证了方案的可行性。结果表明，当光伏电池的输出电压在设定范围内波动时，通过所设计的DC-DC电路的调节，可使其输出电压能够稳定到预设的固定值的偏差范围内。