王章權(quán)，裘楊杰

(浙江樹人大學(xué)信息科技學(xué)院，浙江杭州310015)

0 引言

光伏充電發(fā)電是利用太陽(yáng)能組件的光生伏特效應(yīng)，將光能轉(zhuǎn)換為電能，并儲(chǔ)存在蓄電池中供負(fù)載使用。它是集太陽(yáng)能光伏技術(shù)和蓄電池技術(shù)于一體的新興技術(shù)［1，2]。但在現(xiàn)有的光伏充電系統(tǒng)中，較多存在充電效率不高，充電控制不合適的情況。本文設(shè)計(jì)的一種帶MPPT控制的光伏發(fā)電充電控制器，在光照強(qiáng)度足夠的情形下，可根據(jù)被充蓄電池的特點(diǎn)采用常用的三階段充電控制方法完成對(duì)蓄電池的智能控制。在光照強(qiáng)度不足的條件下，控制器能自動(dòng)切換到MPPT控制狀態(tài)，并利用擾動(dòng)觀察控制策略使光伏電池具有最大的功率輸出，從而提高光伏電池的發(fā)電效率。

1 光伏發(fā)電充電控制系統(tǒng)

光伏發(fā)電充放電控制系統(tǒng)主要由太陽(yáng)能電池陣列、蓄電池和控制器組成。由于太陽(yáng)能電池的輸出電能很大程度受光照與溫度等環(huán)境條件的影響，存在著最大功率點(diǎn)問(wèn)題［3]。因此，如何使太陽(yáng)能電池達(dá)到較好的充電效率，提高電池利用率是本系統(tǒng)設(shè)計(jì)主要考慮的問(wèn)題。特別是在光照強(qiáng)度不足的情況下，需利用MPPT技術(shù)使太陽(yáng)能電池具有最大的功率輸出。圖1所示的控制器主要由DC-DC變換器和充電電流和電池電壓檢測(cè)器和微處理器等部分組成。這里微處理器通過(guò)對(duì)蓄電池充電電流與電壓的檢測(cè)，以選擇合適的充電控制模式。同時(shí)微處理器判斷光伏電池的工作狀態(tài)，以決定是否進(jìn)行MPPT控制，并通過(guò)對(duì)DC-DC控制器占空比的調(diào)整，達(dá)到控制目標(biāo)。

圖1 光伏發(fā)電充電控制器框圖

2 硬件設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)選用的太陽(yáng)能電池型號(hào)為FS156-45，其峰值功率45W。在標(biāo)準(zhǔn)環(huán)境條件下，開路電壓VOC=21V，短路電流ISC=3.3A，最大功率點(diǎn)電壓VMP=17V，最大功率點(diǎn)電流IMP=2.6A。蓄電池為CooPower生產(chǎn)的閥控式密封鉛酸蓄電池12V-4AH。為了使太陽(yáng)能電池較好地符合充電要求，DC-DC變換器選用降壓型BUCK變換器，其主要電路原理圖圖2所示。

圖2 BUCK型充電電路

圖中PV+為光伏發(fā)電輸入端，Q1為BUCK電路使用的P溝道功率MOS管，CPU產(chǎn)生的PWM信號(hào)經(jīng)Q2對(duì)其驅(qū)動(dòng)。為防止MOS管的GS電壓超過(guò)20V，用穩(wěn)壓管D3進(jìn)行箝位保護(hù)。R2為充電電流取樣電阻，在VTB點(diǎn)測(cè)得的電壓信號(hào)經(jīng)后級(jí)電路放大后送CPU進(jìn)行AD轉(zhuǎn)換，完成電流檢測(cè)。VTB+為電池電壓檢測(cè)點(diǎn)，所檢測(cè)的信號(hào)經(jīng)運(yùn)放電路處理后送CPU進(jìn)行AD轉(zhuǎn)換完成蓄電池電壓檢測(cè)。CPU根據(jù)充電控制要求結(jié)合所取樣的充電電流與電壓的大小，改變PWM的占空比D。當(dāng)D上升時(shí)，Q1導(dǎo)通時(shí)間變大，充電電流上升，反之下降，以實(shí)現(xiàn)對(duì)蓄電池充電電流的控制;同時(shí)可以實(shí)現(xiàn)根據(jù)光伏陣列的輸出電壓隨輸出電流的變化的發(fā)電特性。而且，電路中PWM占空比調(diào)節(jié)可以使光伏陣列的輸出達(dá)到最佳狀態(tài)。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 系統(tǒng)整體軟件

本系統(tǒng)根據(jù)要完成的功能的不同，采用模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，將整個(gè)程序分為以下幾個(gè)功能模塊:A/D轉(zhuǎn)換模塊、最大功率跟蹤控制模塊、恒流充電模塊、恒壓充電模塊和浮充模塊。根據(jù)采樣所得的蓄電池端電壓和電流信號(hào)，判斷當(dāng)前光伏陣列的輸出功率，從而選擇MPPT控制模式還是進(jìn)行三階段充電控制模式。圖3為系統(tǒng)的軟件流程框圖。

圖3系統(tǒng)整體軟件框圖

3.2 最大功率充電程序設(shè)計(jì)

圖4為光伏陣列在相同溫度不同光照強(qiáng)度下，輸出功率P(W)與輸出電壓U(V)之間的關(guān)系。圖中功率曲線1光照強(qiáng)度最強(qiáng)，曲線3光照強(qiáng)度最弱。顯然，光照強(qiáng)度越大，輸出功率越大，且存在最大輸出功率點(diǎn);PMIN為不同光照條件下能實(shí)現(xiàn)對(duì)電池的恒流充電所需的最小功率(本文實(shí)驗(yàn)恒定充電電流IH設(shè)為0.4A)。在光照強(qiáng)度足夠的情況下，光伏陣列輸出功率能達(dá)到PMIN以上，則只要調(diào)節(jié)PWM的占空比D，使光伏陣列的工作點(diǎn)位于PMIN之上，即可實(shí)現(xiàn)恒流充電。但此時(shí)MPPT控制失去意義，因?yàn)橐獙?shí)現(xiàn)恒流充電，則無(wú)法保證光伏陣列工作于最大功率點(diǎn)上。顯然此時(shí)光伏陣列的功率輸出效率不一定達(dá)到最高。

而在光照強(qiáng)度不足的情況下，光伏陣列的輸出功率達(dá)不到PMIN而無(wú)法實(shí)現(xiàn)對(duì)電池的恒流充電。在這種情況下，為盡可能使光伏陣列有最好利用率，應(yīng)調(diào)節(jié)PWM占空比D，使光伏陣列的輸出工作于其最大功率點(diǎn)。比較圖4中的兩個(gè)工作點(diǎn)A和B，盡管這兩個(gè)工作點(diǎn)都能實(shí)現(xiàn)BUCK電路正常工作實(shí)現(xiàn)對(duì)電池的充電。但如果工作于最大功率點(diǎn)A點(diǎn)，則能輸出最大功率，從而有更好的充電效率。

圖4 光伏陣列輸出功率與輸出電壓的關(guān)系

根據(jù)BUCK變換器的功率傳輸特性，如果不考慮器件損耗，則BUCK輸入功率的變化與輸出功率的變化可以看作相等。因此，當(dāng)電池充電功率最大時(shí)，即近似可看作光伏陣列輸出功率達(dá)到最大。根據(jù)這一特性，本系統(tǒng)以充電電流最大為目標(biāo)，利用擾動(dòng)觀察控制策略，實(shí)現(xiàn)MPPT控制，其控制流程如圖5所示。圖中Ibat_k表示當(dāng)前蓄電池充電電流采樣值，Ibat_k－1表示前一次蓄電池充電電流采樣值。當(dāng)光照強(qiáng)度無(wú)法滿足恒流充電條件時(shí)，通過(guò)擾動(dòng)充電控制電路PWM信號(hào)占空比D，并采樣擾動(dòng)前后充電電流的變化選擇擾動(dòng)方向，使其按最大充電電流方向變化，達(dá)到光伏陣列最大充電輸出功率的目的。

圖5 最大功率充電控制流程

3.3 充電控制程序設(shè)計(jì)

對(duì)蓄電池而言，選擇合適的充電方法不僅有利于提高蓄電池的充電效率，而且還可以延長(zhǎng)其使用壽命。本系統(tǒng)中，當(dāng)太陽(yáng)能發(fā)電功率達(dá)到圖4中PMIN以上時(shí)，采用即恒流、恒壓和浮充三個(gè)階段的充電方法［4]。

1)恒流階段—充電電路的輸出等效于電流源。在充電過(guò)程中，通過(guò)檢測(cè)電路監(jiān)測(cè)蓄電池的開路端電壓，當(dāng)蓄電池的端電壓超過(guò)轉(zhuǎn)換門限電壓后，充電電路切換到恒壓階段。本設(shè)計(jì)根據(jù)被蓄電池的參數(shù)特性，設(shè)定恒流與恒壓充電切換門限電壓設(shè)為12.5V，恒定充電電流為400mA。

2)恒壓階段—充電電路對(duì)蓄電池提供一個(gè)較高電壓，同時(shí)檢測(cè)蓄電池的充電電壓，當(dāng)充電電壓超過(guò)轉(zhuǎn)換門限值時(shí)，認(rèn)為蓄電池已充滿，充電電路切換到浮充階段。為保證充電質(zhì)量，本設(shè)計(jì)恒壓充電分三次完成:第一次，以12.7V為目標(biāo)進(jìn)行恒壓充電;當(dāng)達(dá)到后再以13V為目標(biāo)充電;最后以13.3V為目標(biāo)充電，當(dāng)達(dá)到后自動(dòng)切換到浮充階段。

3)浮充階段—充電電路為蓄電池提供一個(gè)浮充電壓，對(duì)蓄電池繼續(xù)以較小電流進(jìn)行間歇充電。最高充電目標(biāo)高為13.5V，以對(duì)蓄電池自放電進(jìn)行彌補(bǔ)。

圖6為恒流充電子程序流程框圖。若蓄電池充電電流近似等于Iref，則不對(duì)占空比D進(jìn)行調(diào)節(jié);而當(dāng)IS＞Iref，則減小占空比D，反之則增大占空比D，使充電電流基本恒流充電狀態(tài)。

圖6 恒流充電子程序流程圖

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

4.1 最大功率跟蹤控制充電控制實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)環(huán)境條件:天氣多云，時(shí)間下午15:20，溫度為15～200C，光照強(qiáng)度最大為42000Lux。光伏陣列發(fā)電功率不足。實(shí)驗(yàn)時(shí)，分別使系統(tǒng)進(jìn)入MPPT控制和不用MPPT控制兩種充電方式，測(cè)量所得的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如圖7所示。

圖7 最大功率跟蹤實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在不帶MPPT控制充電電流很快減小。而加入MPPT控制之后，在16:00點(diǎn)之前，能達(dá)到400mA電流充電，且后面的充電電流明顯比不帶MPPT控制要大。

4.2 蓄電池充電實(shí)驗(yàn)結(jié)果

實(shí)驗(yàn)環(huán)境條件:天氣晴朗，溫度為18～250C，光照強(qiáng)度最大為74000Lux。蓄電池充電前的電壓為11.5V，光伏陣列輸出電壓為16.8-21.2V，輸出電流最大電流1.52A。由如圖8所示的實(shí)驗(yàn)結(jié)果可見，所發(fā)出的電能可較好地滿足電池充電功率要求，最低可達(dá)13.5V。

圖8 蓄電池充電曲線

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，經(jīng)過(guò)近6個(gè)小時(shí)的充電，控制器較好地把蓄電池從11.5V充電到13.5V。在充電過(guò)程中測(cè)得的恒流階段充電的電流為400mA，達(dá)到12.5V后由恒流轉(zhuǎn)入恒壓階段。進(jìn)入恒壓階段，此時(shí)蓄電池電壓約為12V。在該階段，為減小充電電流沖擊，恒壓充電分三個(gè)階段完成:即充電電壓逐漸從12V上升到12.7V和13V，直至充電到13.3V后，切換到浮充階段。實(shí)驗(yàn)過(guò)程及數(shù)據(jù)說(shuō)明，充電控制器能根據(jù)蓄電池的端電壓自動(dòng)切換充電方式，實(shí)現(xiàn)了三階段充電的設(shè)計(jì)目標(biāo)。

5 結(jié)語(yǔ)

本文所設(shè)計(jì)的帶MPPT的光伏充電控制器，能較好地根據(jù)光照強(qiáng)度能選擇充電方式。它在光照強(qiáng)度足夠的情形下，根據(jù)被充蓄電池的特點(diǎn)采用常用的三階段充電控制方法，完成對(duì)蓄電池的智能控制。而在光照強(qiáng)度不足的條件下，控制器能自動(dòng)切換到MPPT控制狀態(tài)，并利用擾動(dòng)觀察控制策略使光伏電池具有最大的功率輸出，使系統(tǒng)具有較高的發(fā)電和充電效率。

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