超級電容_鉛酸蓄電池混合儲(chǔ)能的太陽能充電器

1、基金項(xiàng)目 :福 建省 科技 計(jì)劃 重點(diǎn) 項(xiàng)目 (2009H 0034 ; 廈門 市 科 技計(jì)劃重點(diǎn)項(xiàng)目 (3502Z 20093033 ; 泉州 市科 技計(jì) 劃重 點(diǎn)項(xiàng) 目 (2008G 7 ; 福建省自然科學(xué)基金項(xiàng)目 (2010J 01338 。 收稿日期 :2011-02-21作者簡介 :林建南 (1978- , 男 , 碩 士 , 主 要從事 半導(dǎo)體 光電照 明 技術(shù)研究 。 郭震寧 (1958- , 男 , 教授 , 主 要從 事 半導(dǎo) 體發(fā) 光器 件及 其光 學(xué) 設(shè)計(jì)與應(yīng)用研究 。超級電容 -鉛酸蓄電池混合儲(chǔ)能的太陽能充電器 *林建南 , 郭震寧 , 劉祖隆(華僑大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)

2、院 , 福建 泉州 362021摘要 :獨(dú)立型太陽能照明系統(tǒng)存在鉛酸蓄電 池使用壽命短且弱光條件下系 統(tǒng)充電能力 不足的缺 點(diǎn) , 為了 改進(jìn)系統(tǒng) 性 能 , 文中設(shè)計(jì)了基于超級電容 -鉛酸蓄電 池混合儲(chǔ)能的太陽能充電器 , 采用 U C 3909智能管 理芯片實(shí)現(xiàn) 對鉛酸蓄 電池具 有 溫度補(bǔ)償功能的的四階段充電管理 ; 并利 用超級電容器組及升降壓轉(zhuǎn) 換電路 實(shí)現(xiàn)弱 光充電 功能 , 優(yōu)化鉛 酸蓄電 池充放 電 過程 , 提高系統(tǒng)效率及穩(wěn)定性 。關(guān)鍵詞 :超級電容器 ; 混合儲(chǔ)能 ; U C 3909; 溫度補(bǔ)償 中圖分類號(hào) :T P 273文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 :BThe Photovolt ai

3、c Charger Based on Supercapacitor-Lead Acid Batt eryH ybrid Energ y St orageL IN Jian -nan, G U O Zhen -ning , L IU Zhu -lo ng(Colleg e of Infor mation Science and Eng ineer ing, Huaqiao U niver sity , Q uanzho u 362021, ChinaAbstr act:T he stand -alo ne photo voltaic lig ht ing system has some shor

4、 tco mings such as lead acid sto rag e bat tery ' s sho rt -life and the insufficiency o f system char ging abilit y. T o impro ve the sy stem ' s perfo rmance, this paper designs a so lar char ger based o n supercapacit or -lead acid stor age batter y ' s ' hybr id ener gy stor age,

5、 then realizes lead acid stor age batter y ' s ' four-stag e char ging manag ement as w ell as temperatur e co mpensatio n by using U C 3909chip. M eanwhile, using superca -pacito rs and buck -boost conversion cir cuit t o act ualize low -light char ge, optimizes lead -acid bat tery charg e

6、and discharg e pr ocess and improv es t he system efficiency and stability.Key wo rds:supercapacito r; hy br id ener gy st orag e; U C 3909; t emperat ur e co mpensation0 引 言近年來隨著能源短缺問題日益突出 , 太陽能、 風(fēng)能 等新型無污染的替代能源應(yīng)用日益受到重視。獨(dú)立型 太陽能照明系統(tǒng)因其結(jié)構(gòu)簡單、 無需鋪設(shè)電纜 , 且搭建、 攜帶較為方便等特點(diǎn)在照明領(lǐng)域有著廣泛應(yīng)用前景。 但目前急需解決的有鉛酸蓄電池使用壽命較短及系統(tǒng)

7、 在弱光條件下充電能力不足這兩大問題。系統(tǒng)儲(chǔ)能元 件鉛酸蓄電池設(shè)計(jì)壽命約三年 , 但由于充電方式、 存儲(chǔ) 方式以及人為等諸多因素的影響導(dǎo)致 其使用壽命過 短 1, 需要經(jīng)常更換 , 不僅加大了使用成本也影響了系 統(tǒng)的穩(wěn)定性。另外大部分已使用的系統(tǒng)在弱光條件下 充電能力不足 , 導(dǎo)致系統(tǒng)太陽能板利用率不高 ; 傳統(tǒng)提 高弱光充電能力的方法是采用組態(tài)優(yōu)化控制來實(shí)現(xiàn) , 即 根據(jù)外界光照強(qiáng)弱采用繼電器控制太陽能板組件按照 串聯(lián)或并聯(lián)等不同的組合方式給蓄電池充電 , 確保太陽 能板組件輸出電壓始終達(dá)到設(shè)定充電電壓 2。這種方法雖然可以實(shí)現(xiàn)弱光充電 , 但在組態(tài)變化的瞬間 , 電路 輸出電壓波動(dòng)較大 ,

8、 影響系統(tǒng)穩(wěn)定性。此外 , 由于采用 繼電器控制 , 繼電器的機(jī)械開關(guān)觸點(diǎn)在工作較長時(shí)間后 容易磨損失靈甚至引起誤操作。為了有效提高系統(tǒng)弱 光充電能力 , 本文采用超級電容器組及升降壓電路來實(shí) 現(xiàn)弱光條件下有效充電 , 并采用 UC 3909實(shí)現(xiàn)對膠體密 封鉛酸蓄電池智能化充電管理 , 延長蓄電池使用壽命。1 鉛酸蓄電池充電特性鉛酸蓄電池的充電特性是由其最大接受充電能力 來體現(xiàn) , 是在保證蓄電池析氣率較低、 溫升較低時(shí)所能 承受的最大充電電流。其充電特性曲線方程式為I =I 0e -a t(1式中 , I 為充電電流 ; I 0為初始最大充電電流 ; a 為最大 接受力比 ; t 為充電時(shí)間

9、 3。在實(shí)際的電池充電管理過程中 , 要使蓄電池的充 電過程完全吻合該充電特性曲線存在較大困難 3。因 此本著提高充電效率、 保障蓄電池使用壽命、 實(shí)現(xiàn)合理 有效充電的原則 , 參考充電特性曲線 , 采用智能控制芯 片 UC 3909實(shí)現(xiàn)對膠體密封鉛酸蓄電池分段充放電控 制管理。2 基于 UC 3909控制器的四階段充電目前獨(dú)立型太陽能照明系統(tǒng)中蓄電池充電控制器#恒壓充電、 后浮充充電。但由于某些應(yīng)用場合的蓄電 池會(huì)經(jīng)常出現(xiàn)過度放電的情況 , 如果一開始就直接進(jìn) 入較大電流充電的恒流充電階段 , 容易造成熱失控 , 易 損壞蓄電池。所 以在最開始的時(shí)候應(yīng)該 采用小電流 I T 充電的涓流充電模

10、式 , 等蓄電池的端電壓達(dá)到設(shè)定 的充電使能電壓 U T 時(shí) , 再進(jìn)行恒流充電。 UC 3909芯 片可以根據(jù)蓄電池的狀態(tài)實(shí)現(xiàn)涓流充電、 恒流充電、 恒 壓充電和浮充充電四個(gè)階段合理充電 , 如圖 1 所示。圖 1 UC 3909的四階段充電曲線狀態(tài) 1:涓流充電當(dāng)蓄電池電壓低于充電使能電壓 U T , 充電器提供 很小的涓流 I T 進(jìn)行充電 , I T 一般約為 0. 01C(C 為蓄電 池容量 狀態(tài) 2:恒流充電當(dāng)蓄電池的電壓達(dá)到充電使能電壓 U T 時(shí) , 充電器 提供一個(gè)大電流 I BULK 對蓄電池進(jìn)行恒流充電 , 這一階 段是充電的主要階段 , 蓄電池端電壓上升很快 , 直至電

11、 壓上升到過壓充電電壓 U OC 時(shí)進(jìn)入恒壓充電階段。狀態(tài) 3:恒壓充電在此階段 , 充電器提供一個(gè)略高于蓄電池額定值 的電壓 U O C 進(jìn)行恒壓充電 , 電路的充電電流將按指數(shù) 規(guī)律逐漸減小 , 直至電流大小等于充電終止電流 I OCT (約為 10%I BU LK , 蓄電池已被充滿 , 充電器進(jìn)入浮充 充電狀態(tài)。狀態(tài) 4:浮充充電浮充充電階段 , 充電器提供浮充電壓 U F 對蓄電池 以很小的浮充電流進(jìn)行充電 , 以彌補(bǔ)蓄電池自放電造 成的容量損失。同時(shí)由于蓄電池的浮充電壓隨溫度變 化而變化 , 因此需要選擇與蓄電池相同溫度系數(shù)的熱 敏電阻進(jìn)行溫度補(bǔ)償 , 確保在任何溫度下都能以精確

12、的浮充電壓進(jìn)行浮充充電。溫度系數(shù)一般選擇 -3. 5-5mV/e 。3 充電電路設(shè)計(jì)圖 2所示為基于 U C 3909太陽能蓄電池充電器電 路框圖 , 光伏陣列經(jīng)過電壓電流采樣再經(jīng)模數(shù)轉(zhuǎn)換將 數(shù)字信號(hào)反饋至單片機(jī) , 單片機(jī)根據(jù)光伏陣列的工作列的最大功率跟蹤。超級電容器組、 DC/DC 變換器、 UC 3909用來實(shí)現(xiàn)對閥控鉛酸蓄電池的四階段充電控 制 , 并利用超級電容的特性優(yōu)化充放電過程 6。本文 側(cè)重對超級電容器組、 U C 3909及 DC/DC 變換器等部 分實(shí)現(xiàn)對閥控鉛酸蓄電池四階段的充電分析及設(shè)計(jì)。圖 2 系統(tǒng)框圖3. 1 UC 3909充電器主要參數(shù)設(shè)計(jì)基于 U C 3909的

13、充放電電路如圖 3 所示。圖 3 基于 UC 3909的充放電電路根據(jù) U C 3909內(nèi)部集成電路及光伏陣列、 超級電 容參數(shù)并結(jié)合閥控鉛酸蓄電池的容量及額定電壓等參 數(shù)對電路各個(gè)部分進(jìn)行合理計(jì)算設(shè)計(jì)。本設(shè)計(jì)使用賽 特公司生產(chǎn)的 12V, 65Ah 膠體密封鉛酸蓄電池 , 根據(jù) 廠家提供的蓄電池充電參數(shù) , 浮充電壓 U F 取 13. 8V, 充電使能電 壓 U T 取 10. 8V; 過壓 充電電壓 U OC 14. 7V; 涓流充電電流 I TC 取 0. 26A; 恒流充電電流 I BU LK 取 系統(tǒng)最大充電電流 6. 5A; 過充終止電流 I O CT 取 1A 。 根據(jù)以上廠家

14、所提供的蓄電池參數(shù) , 參照 UC 3909芯 片資料及相關(guān)參考文獻(xiàn) 7-8, 計(jì)算 U C 3909外圍元件參 數(shù) , R S 1、 R S 2、 R S 3、 R S 4計(jì)算公式如下 :U T =U REF (R S 1+R S 2+R S 3/R S 4 /(R S 2+R S 3/R S 4(2U O C =U REF (R S 1+R S 2+R S 3/R S 4 /(R S 3/R S 4 (3U F =U REF (R S 1+R S 2+R S 3 /R S 3(4#2011年 7月 25日第 28卷第 4期林建南 等 : 超級電容 -鉛酸蓄電池混合儲(chǔ)能的太陽能充電器 T e

15、lecom P ow er T echnolo gy Jul. 25, 2011, V ol. 28N o. 4式中 , U REF 為 UC 3909內(nèi)部基準(zhǔn)電壓 2. 3V 。代入相關(guān) 值計(jì)算得 (R S 1、 R S 2、 R S 3、 R S 4分別為 245k 8、 16k 8、 53k 8、 975k 8。另外 , 可以根據(jù)流入 U C 3909內(nèi)部電流誤差放大 器反向輸出端 CA -的固定控制電流 I TRCK 、 涓流充電電 流 I T 、 恒流充電電流 I BULK 及過充終止電流 I OCT 計(jì)算得 出 R G 1、 R G 2, R OVC 1和 R OV C 2, 其基

16、本計(jì)算公式如下 :R G 1=5I T R S /I TRCK (5 I TRCK =0. 115V/R SET (6R SET 取 11. 5k 8, 電流采樣電阻 R S 取 55m 8, 代入 式 (5 、 (6 得R G 1=14. 3k 8。R G 2=R G 1/(1. 852I BULK R S =10. 8k 8。 R OVC 1和 R OVC 2滿足以下關(guān)系式 :R OVC1=1. 852I OCT R S R OV C2(7 最終 R O VC 1和 R OV C 2分別選取為 1k 8, 10k 8。 3. 2 鉛酸蓄電池的溫度補(bǔ)償光伏系統(tǒng)中的鉛酸蓄電池一般與太陽能板一起

17、安 裝在戶外 , 而周圍溫度的變化對鉛酸蓄電池的性能有 重大影響 , 有研究表明 3, 鉛酸蓄電池的浮充電流對溫 度極為敏感 , 溫度每變化 10e , 浮充電流成倍增長 , 對 于本設(shè)計(jì)中用到的蓄電池 , 根據(jù)廠家提供的參數(shù) , 同一 浮充電流下 , 其溫度系數(shù)為 -3. 9mV/e , 也就是說如 果要防止浮充電流增加 , 當(dāng)溫度升高 1e 時(shí) , 其浮充電 壓應(yīng)該降低 3. 9mV ; 同理 , 當(dāng)溫度降低 1e 時(shí) , 其浮充 電壓應(yīng)該升高 3. 9mV才能保持浮充電流不變。 圖 4 鉛酸蓄電池溫度補(bǔ)償電路U C 3909內(nèi)部集成了具有鉛酸蓄電池溫度補(bǔ)償功能的電路如圖 4所示 , A

18、1為電流 /電壓轉(zhuǎn)換元件 , 其輸 入端分別接 10k 8普通電阻及 10k 8熱敏電阻。 A 2與 外接四個(gè) 20k 8電阻組成差動(dòng)運(yùn)算放大電路。 R T HM 一 般貼附在鉛酸蓄電池的表面殼體用于檢測其溫度 , 當(dāng) 鉛酸蓄電池內(nèi)部溫度變化時(shí) , 通過熱敏電阻 R THM 的反 饋 使 U C 3909的 基 準(zhǔn) 電 壓 2. 3V 也 隨 溫 度 按 -3. 9m V/e 的溫度系數(shù)變化。從而確保鉛酸蓄電池 在浮充狀態(tài)下準(zhǔn)確工作于安全的浮充電壓 , 保護(hù)了鉛 酸蓄電池。3. 3 DC /DC 變換器設(shè)計(jì)由于光伏 陣列受 外界環(huán) 境影響 較大 , 本系 統(tǒng)中 12V 的太陽能板輸出電壓的變化

19、范圍約為 020V, 如果直接為鉛酸蓄電池充電 , 由于鉛酸蓄電池的正常工作電壓要高于 10. 8V, 因此當(dāng)弱光條件下 , 太陽能 板的輸出電壓低于鉛酸蓄電池的端電壓時(shí) , 其產(chǎn)生的 電能不能被鉛酸蓄電池吸收。因此本系統(tǒng)采用把太陽 能板輸出經(jīng)過超級電容器組 , 再由超級電容器組先經(jīng) 升降壓后為鉛酸蓄電池充電 , 有效增強(qiáng)系統(tǒng)弱光充電 能力 , 提高利用效率。本設(shè)計(jì)采用升降壓模式 , 如圖 5所示 , 超級電容器 組接 DC/DC 轉(zhuǎn)換電路的輸入端 , 設(shè)定輸入范圍為 4. 520V, 輸出電壓范圍為 10. 814. 7V 。 Q 1由單片 機(jī)輸 出 PWM 信 號(hào) 控 制 , Q 2由 U

20、C 3909的 5腳 經(jīng) MOS 管 驅(qū) 動(dòng) 電 路 控 制 , 5腳 輸 出 PWM 頻 率 由 UC 3909的 18腳所接電阻 R SET 及 19管腳所接電容 C T 決定 , 公式如下 :f =1/(1. 2R SET C T (8圖 5 DC /DC 轉(zhuǎn)換電路UC 3909的工作頻率設(shè)定為 200kH z 。同時(shí)在蓄 電池的充電回路中還串接電流采樣電阻 R S , R S 兩端的 電壓信號(hào)作為 U C 3909芯片內(nèi)部電流采樣放大電路的 輸入信號(hào)分別接于 CS -, CS +輸入端 , 考慮到充電電流 較大 , 為減少 R S 的功耗同時(shí)防止 U C 3909芯片內(nèi)部電 流采樣放大

21、電路飽和 失真 , R S 應(yīng)盡量小 , 本電路中取 55m 8。3. 4 超級電容器組在系統(tǒng)中的作用(1 超級電容具有使用壽命長 , 充放電限制少 , 功 率密度大 , 充電電池比能量高 , 可快速大電流充放電等 優(yōu)點(diǎn) , 是一種新型高效的儲(chǔ)能器件。但由于其能量密 度僅為鉛酸蓄電池的 1/5, 無法滿足太陽能路燈照明 這種大功率電路系統(tǒng)大容量儲(chǔ)能的要求。因此本系統(tǒng) 中采用蓄電池組與超級電容器組混合儲(chǔ)能 , 結(jié)合超級 電容功率密度高及鉛酸蓄電池能量密度高的特點(diǎn) , 提 高儲(chǔ)能系統(tǒng)性能。(2 本系統(tǒng)中采用 8個(gè) 2. 7V, 1200F 的超級電容 串聯(lián)成額定電壓 21. 6V, 容量為 150

22、F 的超級電容器 組 , 由于 12V 太陽能板在強(qiáng)光照射時(shí)其輸出電壓約為 20V, 采用 21. 6V 超級電容器組既可確保儲(chǔ)能器件的 安全同時(shí)可以充分吸收太陽能板輸出能量。(3 由于系統(tǒng)采用 MPPT 技術(shù)來實(shí)現(xiàn)最大功率輸 出 , M OS 的高速導(dǎo)通與關(guān)斷都會(huì)在輸出端產(chǎn)生相應(yīng)干 擾諧波 , 在太陽能板輸出端及鉛酸蓄電池間加上超級 電容器組可以有效抑制干擾諧波 , 保證鉛酸蓄電池平 穩(wěn)充放電 , 延長鉛酸蓄電池使用壽命。#2011年 7月 25日第 28卷第 4期 T elecom Po wer T echno log y Jul. 25, 2011, Vo l. 28N o. 4(4 鉛

23、酸蓄電池只能工作在 U T 至 U OC 電壓范圍內(nèi) (以 12V 鉛酸蓄電池為例 , 只能工作在 10. 814. 7V 之間 。相比之下 , 由于超級電容器組可深度放電 , 其 工作電壓可以設(shè)定在較低范圍 , 如該系統(tǒng)中設(shè)定超級 電容器組的最低輸出電壓為 4. 5V 。因此在弱光狀態(tài) 下 , 太陽能板的輸出電壓會(huì)高于超級電容器組端電壓 , 確保輸出電能被超級電容器組吸收儲(chǔ)存 , 再由升降壓 電路轉(zhuǎn)換輸出給鉛酸蓄電池 , 即實(shí)現(xiàn)了弱光充電功能。 (5 由于鉛酸蓄電池的充電條件極為嚴(yán)格 , 在蓄電 池的不同四個(gè)充電階段下 , 其允許輸入的電量不同 , 而 太陽能板的輸出受外界環(huán)境影響變化很大。

24、當(dāng)太陽能 板輸出的電量大于鉛酸蓄電池當(dāng)前工作狀態(tài)下可接受 的輸入電量時(shí) , 多余的部分能量將保存在超級電容器 組中 ; 反之 , 當(dāng)太陽能板輸出的電量小于鉛酸蓄電池可 接受的輸入電量時(shí) , 超級電容器組內(nèi)儲(chǔ)存的電量可補(bǔ) 償不足輸出給鉛酸蓄電池。這樣既可以確保鉛酸蓄電 池的平穩(wěn)充電 , 延長使用壽命 , 也可以提 高系統(tǒng)利用 率。3. 5實(shí)驗(yàn)仿真如圖 6所示為 protues 仿真器中當(dāng)超級電容器組 端電壓為 4. 5V 時(shí) U C 39095腳輸出脈沖及此時(shí) DC/ DC 的輸出波形。仿真顯示 , 5腳輸出頻率為 200kH z, DC/DC 轉(zhuǎn) 換 電 路的 輸 出 較為 平 滑 , 且 電

25、 壓幅 值 為 13. 6V, 屬于設(shè)定輸出電 壓范圍 , 與實(shí)測 效果基本相 符 , 說明系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)弱光充電功能。4結(jié) 語本系統(tǒng)采用超級電容器組與鉛酸蓄電池做太陽能 路燈照明系統(tǒng)混合儲(chǔ)能元件 , 利用超級電容器組及升 降壓電路實(shí)現(xiàn)弱光充電功能 , 有效提高太陽能板利用 率。同時(shí)利用 U C 3909實(shí)現(xiàn)鉛酸蓄電池的四階段充電 管理 , 延長了蓄電池使用壽命 , 提高系統(tǒng)穩(wěn)定性及使用 效率。圖 6UC 39095腳輸出 U 5及 DC/DC 電路 U 0輸出波形 參考文獻(xiàn) :1王新 生 , 游 新 霞 . 閥 控鉛 酸 蓄電 池 與 U C 3909智 能 充 電 J. 通信電源技術(shù) , 2008, 25(3 :59-65.2劉立強(qiáng) , 岑長岸 . 弱光下光伏 充電器的 設(shè)計(jì) J. 控制理 論 與應(yīng)用 , 2008, 25(2 :0364-0366.3周志敏 , 周紀(jì)海 . 充電器電 路設(shè)計(jì)與應(yīng) 用 M .北 京 :人 民 郵電出版社 , 2005.4周震宇 , 張軍明 , 錢 照明 . 基 于 P IC 單 片機(jī) 的數(shù)字 式智 能 鉛酸電池充電器 的設(shè)計(jì) J.電 源技 術(shù)應(yīng)