孫艷玲，羅 友 ，張東清

(杭州電子科技大學(xué)新型電子器件與應(yīng)用研究所電光源實(shí)驗(yàn)室，杭州310018)

太陽能光伏產(chǎn)業(yè)是近年來世界上發(fā)展速度最快的行業(yè)之一，能源危機(jī)與環(huán)境保護(hù)問題的日益嚴(yán)重，使得這一產(chǎn)業(yè)更是受到前所未有的關(guān)注。由于太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)輸入能量極不穩(wěn)定，一般需要先將電能以化學(xué)能的形式存儲(chǔ)在蓄電池中，再將化學(xué)能轉(zhuǎn)化成電能提供給負(fù)載。目前主要的可充電電化介質(zhì)有:鉛—酸(Pb－acid)、鎳鎘(Ni－Cd)、鎳—金屬氫化物(NiMH)、鋰離子(Li－ion)等。其中鉛酸蓄電池以前成熟度和高性價(jià)比成為當(dāng)前可充電蓄電池中應(yīng)用最廣泛的類型，尤其是閥控式鉛酸蓄電池(VRLA)以其使用安全、免維護(hù)、壽命長、成本低、可回收物污染等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用在電力、郵局通信船舶交通、應(yīng)急照明等領(lǐng)域。

在鉛酸蓄電池的使用過程中，過充電會(huì)造成蓄電池大量出氣(電解水)，造成水分散失和活性物質(zhì)脫落;過放電則容易加速柵板的腐蝕和不可逆硫酸化。適當(dāng)?shù)你U酸蓄電池充放電控制器，通過檢測(cè)蓄電池的電壓或核電狀態(tài)，發(fā)出相應(yīng)的充放電指令。

1 蓄電池的常規(guī)充電方法

1.1 恒流充電法

恒流充電將流入蓄電池的充電流控制在一個(gè)恒定值上為蓄電池充電，在充電過程中，要不斷的調(diào)整蓄電池的電壓使之恒定不變，此種方法適合于小電流長時(shí)間的充電模式。不足之處是在充電初期充電電流偏小，后期偏大，在后期析出氣體多，對(duì)極板沖擊大，能耗高，充電效率低。恒流充電方法如圖1所示。

圖1 恒流充電法

1.2 恒壓充電法

恒壓充電法是指始終用恒定的電壓對(duì)蓄電池進(jìn)行充電，因此在充電初期蓄電池電壓較低，充電電流很大，但隨著蓄電池電壓的升高，電流逐漸減小，在充電末期只有很小的電流通過，這樣在充電過程中不必調(diào)整電流。與恒流充電法相比，雖然這種方法不會(huì)浪費(fèi)過多的充電功率，但在恒壓充電初期充電電流過大，可能會(huì)嚴(yán)重影響蓄電池壽命，甚至使蓄電池極板彎曲，造成報(bào)廢。恒壓充電方法如圖2 所示。

圖2 恒壓充電法

1.3 階段充電法

蓄電池的階段充電法包括兩階段充電方法和三階段充電方法，這是以克服恒流與恒壓缺點(diǎn)而結(jié)合的一種充電策略。充電初期使用恒流充電，到達(dá)一定容量后改為恒壓充電。這種方式在充電初期不會(huì)出現(xiàn)很大的電流，在后期也不會(huì)出現(xiàn)過高的電壓，使蓄電池產(chǎn)生析氣。兩階段充電完畢后，蓄電池的容量基本達(dá)到額定值，改用涓流充電以彌補(bǔ)蓄電池的自放電，這種小電流的充電方式成為浮充，電壓比恒壓的電壓要低大約200 mV ～300 mV。如圖3 所示。

圖3 三階段充電法

本系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的是PWM 三階段充電方式，通過調(diào)節(jié)MOSFET 開關(guān)管的通斷時(shí)間來控制信號(hào)的D(占空比)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)輸出電壓的調(diào)整。利用AVR單片機(jī)的PWM 口，通過軟件編程改變占空比的大小來控制對(duì)蓄電池的充放電。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)指標(biāo)

2.1 光伏電池組件選擇

在光伏系統(tǒng)中，太陽能電池組件對(duì)鉛酸蓄電池進(jìn)行充電。一般而言，基于絲網(wǎng)印刷技術(shù)或埋柵硅太陽能電池技術(shù)的36 片電池組件，可以串聯(lián)起來為一個(gè)12 V 的蓄電池充電。電池組件的參數(shù)為:

開路電壓(Voc):21.6 V(25 ℃)，短路電流(Isc)=3.0 A，填充因子(FF)=75%，最大功率電壓(Vmp)=18 V(25 ℃)，最大功率電流(Imp)=2.7 A。

2.2 系統(tǒng)充電方式

我們可以將蓄電池分為三種不同的狀態(tài)，分別是過放、欠壓和正常。在充電之前先檢查蓄電池的所在狀態(tài)，根據(jù)不同的狀態(tài)選擇不同的充電方式，其對(duì)應(yīng)充電方式如表1 所示。其中，提升充充電電壓為14.8 V，直充充電電壓為14.4 V，浮充充電電壓為13.8 V(蓄電池電壓Vb指無負(fù)載下的電壓)。

表1 蓄電池的充電方式選擇

3 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

3.1 電路結(jié)構(gòu)框圖

系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖如圖4 所示，太陽能電池板產(chǎn)生的電壓經(jīng)由控制器，存儲(chǔ)在鉛酸蓄電池中，同時(shí)在控制器的作用下，向直流負(fù)載進(jìn)行供電。如果負(fù)載是交流的，需要加交流逆變器(DC/AC)。

圖4 電路結(jié)構(gòu)框圖

太陽能板產(chǎn)生的不穩(wěn)定電壓可經(jīng)過DC/DC 變換，變?yōu)殂U酸蓄電池所需要的可充電電壓。本論文針對(duì)12V 的鉛酸蓄電池充電管理，所以采用BUCK降壓型拓?fù)?。電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖5 所示，其中D1是防反充二極管，可保證當(dāng)太陽能電池電壓小于蓄電池電壓的時(shí)候，蓄電池對(duì)太陽能板不進(jìn)行反充電。二極管可選擇快恢復(fù)二極管，這種二極管導(dǎo)通內(nèi)阻小，充電時(shí)發(fā)熱量小，可連續(xù)充電。

圖5 buck 拓?fù)潆娐?/p>

單片機(jī)主要的功能模塊如圖6 所示，主要包括太陽能板和蓄電池的電壓采集，以及蓄電池的充電電流的采集，并進(jìn)行PWM 控制，通過采集周圍環(huán)境的溫度對(duì)蓄電池進(jìn)行溫度補(bǔ)償，可通過發(fā)光二極管實(shí)時(shí)的顯示蓄電池的狀態(tài)。

圖6 單片機(jī)控制模塊

3.2 檢測(cè)電路的設(shè)計(jì)

檢測(cè)電路主要包括太陽能板和蓄電池的電壓檢測(cè)，蓄電池的充電電流檢測(cè)，和溫度檢測(cè)。對(duì)于太陽能板和蓄電池的電壓檢測(cè)可通過電阻分壓法進(jìn)行直接檢測(cè)。如圖7 所示，分別是太陽能電池Up 的電壓檢測(cè)，鉛酸蓄電池Ub 的電壓檢測(cè)和溫度檢測(cè)電路。

圖7 電壓檢測(cè)電路

充電時(shí)鉛酸蓄電池產(chǎn)生的熱量由充電電流流過內(nèi)阻和電池內(nèi)部化學(xué)反應(yīng)所釋放的兩部分熱量，使鉛酸蓄電池的溫度升高。溫度升高的結(jié)果是充電電流的增大，一旦超過鉛酸蓄電池在該時(shí)刻所對(duì)應(yīng)的可接受充電電流的大小，將伴隨副反應(yīng)的發(fā)生。因此，控制不當(dāng)將會(huì)在后期發(fā)生過充電反應(yīng)，而過充電電流主要用來產(chǎn)生副反應(yīng)和產(chǎn)生熱量，又進(jìn)一步導(dǎo)致溫度的升高，對(duì)蓄電池的壽命大打折扣。因此，在充電過程中，設(shè)置溫度傳感器，采樣充電過程電池的溫度，建立反饋控制回路來控制調(diào)節(jié)電流的大小。

溫度采樣的方法很重要，直接關(guān)系著補(bǔ)償?shù)男Ч?。一般來說有3 種方式:一是采樣蓄電池附近的空氣溫度，這種方法最容易，但是不準(zhǔn)確;而是采樣蓄電池外殼的表面溫度，是最為實(shí)際和容易的方法;但是采樣蓄電池內(nèi)部電解液的溫度，最能準(zhǔn)確反映蓄電池的實(shí)際情況，但是較難實(shí)現(xiàn)，需要專業(yè)的設(shè)備與技術(shù)。目前應(yīng)用最廣的就是第二種方法，來采樣和設(shè)計(jì)溫度補(bǔ)償單元。

鉛酸蓄電池采用溫度補(bǔ)償功能后，設(shè)定的標(biāo)準(zhǔn)電壓將按照以下公式變化:

其中，Vtc為溫度補(bǔ)償后的電壓，Vn為未經(jīng)補(bǔ)償?shù)碾妷海琓c為設(shè)置的補(bǔ)償系數(shù)(單位:mV/℃)，N 為每組鉛酸蓄電池的數(shù)值，T 為溫度傳感器的指示溫度。

以閥控式鉛酸蓄電池為例，在25 ℃時(shí)，浮充電壓為2.25 V/只，允許的變化范圍是2.23 V ～2.27 V。溫度補(bǔ)償系數(shù)，其值一般為3 mV/℃～4 mV/℃。根據(jù)公式可以得到不同溫度時(shí)的浮充電壓，系統(tǒng)將根據(jù)檢測(cè)到的溫度值自動(dòng)調(diào)整浮充電壓值。

電流檢測(cè)的方法有很多種，包括霍爾傳感器檢測(cè)，電流互感器和采樣電阻檢測(cè)等等。在電流較大場(chǎng)合，大多采用磁性器件進(jìn)行檢測(cè)，以避免電阻檢測(cè)造成的損耗，較常用的是電流互感器。但是電流互感器電路設(shè)計(jì)相對(duì)復(fù)雜，且占用的基板面積較大，不利于電路小型化。除了電流互感器外，霍爾傳感器也是根據(jù)磁感應(yīng)制作的電流檢測(cè)元件。同電流互感器相比它精度高但是價(jià)格高，體積大。

電阻電流檢測(cè)電路通常利用測(cè)量電流通路中采樣電阻兩端壓降以得到采樣電流。按照采樣電阻與電源連接位置的不同，可分為電壓低端電流檢測(cè)和電壓高端電流檢測(cè)。由于其電路設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，成本低廉，易于實(shí)現(xiàn)，使得在電路中應(yīng)用非常普遍。鑒于低端檢測(cè)電流在使用時(shí)有幾種狀態(tài)故障時(shí)檢測(cè)不出來的，避免對(duì)負(fù)載造成大的問題，本系統(tǒng)利用電壓高端電流檢測(cè)。專用高端檢流電路內(nèi)部包含了完成高端電流檢測(cè)的所有功能單元，并可以在高達(dá)32 V 共模電壓下檢測(cè)高端電流，并提供與之成比例的，與地電平為參考的的電流輸出。適合于需要對(duì)電流進(jìn)行精確測(cè)量和控制的應(yīng)用，如電源管理和電池充電控制。MAXIM 的高端檢流運(yùn)放中所使用的檢流電阻放置在電源的高端和被檢測(cè)電路端之間。如圖8 為利用MAX4173 構(gòu)成的高端電流檢測(cè)電流(VCC 為3 V ～28 V)。

所測(cè)電流Is為

其中Rlsensel為檢測(cè)電阻阻值

圖8 高端電流檢測(cè)電路

G 為運(yùn)放的增益

Vout為運(yùn)放輸出電壓

G 分別為:20(MAX4173T)，50(MAX4173F)，100(MAX4173H)。

3.3 輔助電源

系統(tǒng)選用高性能、低功耗的ATmega16 單片機(jī)作為微處理器，正常模式下的工作電壓為4.5 V ～5.5 V，工作電流為1.1 mA。通過穩(wěn)壓芯片LM7805調(diào)整為單片機(jī)所需要的電源電壓。lm78/lm79 系列三端穩(wěn)壓芯片組成的穩(wěn)壓電源所需的外圍元件極少，電路內(nèi)部還有過流、過熱及調(diào)整管的保護(hù)電路，使用起來可靠、方便，而且價(jià)格便宜。該系列集成穩(wěn)壓IC 型號(hào)中的lm78 或lm79 后面的數(shù)字代表該3端集成穩(wěn)壓電路的輸出電壓，如lm7806 表示輸出電壓為正6 V，lm7909 表示輸出電壓為負(fù)9 V。LM317是美國國家半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的3 端可調(diào)穩(wěn)壓集成電路，輸出電壓范圍是1.2 V 到37 V，提供的最大電流能夠夠達(dá)到1.5 A。

圖9 LM317 單片機(jī)供電電路

3.4 放電管理

蓄電池在應(yīng)用過程中，過放電會(huì)折損蓄電池的使用壽命。系統(tǒng)放電框圖如圖10 所示。

圖10 放電控制框圖

當(dāng)蓄電池電壓達(dá)到過放電控制電壓時(shí)候，控制器通過MOS 開關(guān)，切斷負(fù)載供電，以保護(hù)蓄電池的過放電，確保蓄電池不受損害。

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

ATmega16 是ATMEL 公司生產(chǎn)的高性能、低功耗的8 bit AVR 處理器。具有先進(jìn)的RISC 結(jié)構(gòu)，非易失性的程序和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，包括16 k 內(nèi)部可編程的Flash、512 byte 的EEPROM、及具有獨(dú)立鎖定位的可選Boot 代碼區(qū)，JTAG 接口可實(shí)現(xiàn)片上調(diào)試及擴(kuò)展功能。其中，單片機(jī)具有兩個(gè)8 bit 定時(shí)/計(jì)數(shù)器和一個(gè)16 bit 定時(shí)/計(jì)數(shù)器，四通道的PWM 及8 路10 bit ADC。系統(tǒng)工作時(shí)，首先將單片機(jī)復(fù)位，然后采集周圍環(huán)境溫度，根據(jù)環(huán)境溫度設(shè)定相應(yīng)的提升充電壓和直充電壓以及浮充電壓值。通過檢測(cè)蓄電池的電壓Up 來判斷蓄電池狀態(tài)進(jìn)行相應(yīng)的充電子程序。如圖11 為蓄電池充電方式選擇子程序流程框圖。

圖11 充電方式選擇子程序框圖

單片機(jī)利用定時(shí)/計(jì)數(shù)器產(chǎn)生PWM 信號(hào)，計(jì)數(shù)從0 開始進(jìn)行增1 計(jì)數(shù)，到TOP 值后歸零，在計(jì)數(shù)值為0 時(shí)，產(chǎn)生高電平，當(dāng)與設(shè)定的COMP 值相等時(shí)候，產(chǎn)生低電平，如此反復(fù)計(jì)數(shù)。所發(fā)出來的PWM的周期與TOP 值有關(guān)，占空比與COMP 值有關(guān)。TOP 取255，COMP 取128，即可得到占空比為50%的方波。實(shí)驗(yàn)中使用的是BUCK 型拓?fù)?，其占空比為D=Vo/Vin，其中Vo為蓄電池的充電電壓，Vi為檢測(cè)到的太陽能的電壓。可根據(jù)不同的時(shí)刻實(shí)時(shí)調(diào)整占空比為蓄電池進(jìn)行充電。程序采用C 語言進(jìn)行編程，編譯環(huán)境是ICC，軟件編寫完成后，可通過單片機(jī)的JTAG 仿真接口進(jìn)行仿真調(diào)試。

4.1 VRLA 的充放電曲線

根據(jù)VRLA 的特點(diǎn)，控制器利用MCU 的PWM功能對(duì)蓄電池進(jìn)行充電管理。控制器正常充電時(shí)，負(fù)載開路，保證正常充電。夜間將打開負(fù)載，進(jìn)行放電。單個(gè)VRLA 的充放電特性曲線如圖12 所示。

圖12 VRLA 充放電特性曲線

5 總結(jié)

太陽能充放電控制器在光伏系統(tǒng)中起著核心的控制作用，利用專業(yè)的單片機(jī)與軟件編程，既可實(shí)現(xiàn)對(duì)蓄電池的合理充電，又可實(shí)現(xiàn)智能控制。本系統(tǒng)針對(duì)12 V 的蓄電池，設(shè)計(jì)了一套簡(jiǎn)便實(shí)際的控制器，采用PWM 充電主電路，使充電的電壓損失較使用二極管的充電電路降低近一半，充電效率較非PWM 高3% ～6%，具有過放恢復(fù)的提升充電壓、正常的直充、浮充自動(dòng)控制功能，使系統(tǒng)具有較長的使用壽命，同時(shí)兼具溫度補(bǔ)償功能。

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