小功率太陽能光伏系統(tǒng)快速pwm動態(tài)恒壓充電方法

小功率太陽能光伏系統(tǒng)快速pwm動態(tài)恒壓充電方法

1太陽能控制器作為一種新型能源，它以其豐富的資源、清新、環(huán)境保護(hù)和低地限制等優(yōu)點而被廣泛使用。在使用這種新型能源的同時,人們也在考慮如何更高效地利用這些能源,提高充電效率,延長系統(tǒng)的使用壽命等問題,這主要受到太陽能控制器性能的影響。太陽能控制器是太陽能光伏系統(tǒng)中的核心部分,主要完成對蓄電池進(jìn)行充電和放電的控制,以及在過充、過放電、過載等情況發(fā)生時對系統(tǒng)進(jìn)行有效地保護(hù)。為延長蓄電池的使用壽命和達(dá)到最佳的充電效果,性能優(yōu)越的控制器還要采用先進(jìn)的充電方式以達(dá)到優(yōu)良的充電效果。為了適應(yīng)各種場合和不同負(fù)載的應(yīng)用需要,采用了多種智能化的控制方案來控制系統(tǒng)的各種參數(shù),實現(xiàn)對太陽能光伏系統(tǒng)的綜合化管理和控制。本文主要針對小功率太陽能光伏系統(tǒng)中使用的控制器的原理進(jìn)行了分析和研究,開發(fā)出了一種適應(yīng)性強(qiáng)、成本低、智能化程度高的新型控制器。2單元電路設(shè)計太陽能光伏控制系統(tǒng)主要由太陽能電池板、蓄電池、控制器和負(fù)載4部分組成。控制器主要完成對蓄電池的充電、為負(fù)載提供電能,保護(hù)蓄電池等功能,其性能的好壞直接決定了光伏系統(tǒng)的性能?？刂破饕晕⑻幚砥鳛楹诵目刂撇考?其系統(tǒng)框圖如圖1所示。主要包括電壓采集、溫度采集、電流采集、驅(qū)動輸出和顯示電路等單元電路。采用單片機(jī)作為其核心控制部件不僅因為單片機(jī)可實現(xiàn)智能化的控制。而且,減少了控制部件的數(shù)量,提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性,便于實現(xiàn)系統(tǒng)的綜合控制。單片機(jī)通過對太陽能電池板電壓、蓄電池電壓、負(fù)載電流、環(huán)境溫度等參數(shù)的循環(huán)檢測、判斷,控制驅(qū)動電路實現(xiàn)對充放電管M1,M2和M3的開關(guān)控制,完成充電、放電、過充、過放和過載保護(hù)以及溫度補(bǔ)償?shù)裙δ?。根?jù)不同的情況,控制器采用不同的PWM充電脈沖,以實現(xiàn)高效的充電效果。通過指示電路,用戶可直觀地了解控制器工作情況。由于系統(tǒng)中含有數(shù)字和模擬2部分電路,為避免相互影響,設(shè)計時采用了光電耦合方式將數(shù)字和模擬部分隔離,有效地解決了干擾問題。實際電路中,由于負(fù)載的情況也比較復(fù)雜,干擾源較多,因此,在PCB設(shè)計時采用數(shù)字地和模擬地一點接地的布線方式,保證了系統(tǒng)的可靠性。3放電量表的分析根據(jù)美國科學(xué)家馬斯1972年在第二屆世界電動汽車年會上提出了著名的馬斯三定律,即:(1)對于任何給定的放電電流,蓄電池充電時的電流接受比與電池放出的容量的平方根成反比,即:α=K1C√(1)α=Κ1C(1)式中:K1為放電電流常數(shù),視放電電流的大小而定,為蓄電池放出的容量。由于蓄電池的初始接受電流I0=α·C,所以:I0=α?C=K1?C√(2)Ι0=α?C=Κ1?C(2)(2)對于任何給定的放電量,蓄電池充電電流接受比α與放電電流Id的對數(shù)成正比,即:α=K2?logK?Id(3)α=Κ2?logΚ?Ιd(3)式中:K2為放電量常數(shù),視放電量的多少而定;K為計算常數(shù)。(3)蓄電池在以不同的放電率放電后,其最終的允許充電電流It(接受能力)是各個放電率下的允許充電電流的總和,即:It=I1+I2+I3+?(4)Ιt=Ι1+Ι2+Ι3+?(4)式中:I1,I2,I3,…為各個放電率下的允許充電電流。綜合馬斯三定律可以推出,蓄電池的總電流接受比可表示為:α=ItCt(5)α=ΙtCt(5)式中:Ct=C1+C2+C3+…為各次放電量的總和,即蓄電池放出的全部電量。馬斯三定律說明:在充電過程中,當(dāng)充電電流接近蓄電池固有的微量析氣充電曲線時,適時地對電池進(jìn)行反向大電流瞬間放電,能消除電池的極化現(xiàn)象,可以提高蓄電池的充電接受能力,從而大大提高充電速度,縮短充電時間。通過對上述2種充電方式的分析比較,綜合考慮系統(tǒng)的特點,本設(shè)計采用了快速PWM動態(tài)恒壓充電方式。根據(jù)蓄電池端電壓的大小來調(diào)整PWM脈沖的占空比,由于占空比不同得到的平均電壓也會不同,因此,對蓄電池的充電電壓就會不同,從而控制了充電電壓的大小。4mos管驅(qū)動電路如圖2,圖3所示。采用了PIC單片機(jī)作為核心控制單元,采用MOS管作為充、放電控制管和保護(hù)管,減小了系統(tǒng)功耗和開關(guān)工作速度。為實現(xiàn)可靠工作,對MOS管的驅(qū)動全部采用光電耦合方式,有效實現(xiàn)數(shù)模信號的隔離。系統(tǒng)中還設(shè)計有防雷擊、防反接、報警、指示等電路。4.1太陽能電池生產(chǎn)廢水第44和3.電路如圖2,圖3所示。為實現(xiàn)快速PWM充電方式,電路采用并聯(lián)充、放電的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),即充電控制管M1和放電控制管M2與蓄電池采用并聯(lián)方式,在選擇開關(guān)管時要綜合考慮太陽能電池和負(fù)載的功率,以及可靠性和帶載能力等因素,故選用IRFZ44型MOS作為開關(guān)管,能得到較好的效果。由于肖特基二極管比普通二極管具有管壓降低、功耗小、電荷存儲效應(yīng)小等特點,因此,電路中采用肖特基二極管SBD1作為防反充二極管,防止蓄電池向太陽能電池反向充電。肖特基二極管SBD2和SBD3提高了M1和M2管的開關(guān)速度。D2和D4是保護(hù)二極管,防止浪涌電壓對MOS管的損壞。系統(tǒng)初始上電工作時,單片機(jī)通過R1,R2組成的電阻網(wǎng)絡(luò)對太陽能電池端電壓進(jìn)行采樣,判斷當(dāng)前外界光線情況。如電壓很低或為零則可判斷外界光線很暗,需要蓄電池向負(fù)載供電,此時,M3導(dǎo)通;否則,M3截止,關(guān)斷負(fù)載。這種功能比較適合夜間或光線較弱時需供電的場合,如太陽能草坪燈和庭院照明系統(tǒng)中使用。單片機(jī)通過R4,R5,RP組成的采樣電路對蓄電池端電壓進(jìn)行采樣,判斷蓄電池當(dāng)前狀態(tài)。當(dāng)發(fā)現(xiàn)蓄電池電壓較低時,單片機(jī)RB6口輸出驅(qū)動信號,在R14和光耦U1-1的作用下將控制信號耦合到光耦U1-2側(cè),再由U1-2和R3組成的集電極輸出電路驅(qū)動充電控制管M1導(dǎo)通,短路太陽能電池;反之,M1關(guān)斷,太陽能電池對蓄電池充電。如此循環(huán)工作,在蓄電池端就形成了占空比較小的PWM脈沖信號,實現(xiàn)對蓄電池以較小的電流進(jìn)行預(yù)充電。當(dāng)蓄電池電壓達(dá)到一定值時,則可轉(zhuǎn)入快速充電狀態(tài),單片機(jī)會輸出占空比較大的PWM信號控制M1導(dǎo)通和關(guān)斷,實現(xiàn)快速的脈沖充電。為消除蓄電池的極化現(xiàn)象,提高充電接受能力。在此階段,單片機(jī)又通過光耦U2,M2適時地對蓄電池進(jìn)行反向大電流瞬間放電。當(dāng)蓄電池的容量接近額定容量的90%時,單片機(jī)會輸出占空比固定的PWM信號控制M1導(dǎo)通和關(guān)斷。此時,太陽能電池以較小的充電電流對蓄電池實施涓流充電。該階段充電的電流較小,充電時間較長,但可以使蓄電池的容量接近100%,完全能將蓄電池充滿,不存在“虛電”問題。蓄電池充滿以后,系統(tǒng)進(jìn)入浮充電狀態(tài),主要用來補(bǔ)充蓄電池自放電所消耗的能量,使蓄電池端電壓始終保持浮充電壓值,給電池不斷補(bǔ)充電荷,這樣可使電池總處于充足電狀態(tài)。4.2u3耦合控制傳統(tǒng)的過載保護(hù)電路是采用保險絲熔斷方式作為保護(hù)器件,當(dāng)電路中的電流達(dá)到預(yù)定值時,保險絲熔斷,以保護(hù)電路。要想讓電路重新恢復(fù)工作,必須更換保險絲,屬于非自動恢復(fù)型。本系統(tǒng)利用MOS管導(dǎo)通時的極間導(dǎo)通電阻RDS作為電流感測器件,M3與RL串聯(lián),當(dāng)檢測出RDS上的壓降超過規(guī)定值時,說明負(fù)載電流達(dá)到最大允許值,單片機(jī)通過光耦U3控制M3關(guān)斷。當(dāng)電流恢復(fù)正常后,M3又可以重新開啟恢復(fù)工作,與采用保險管方式相比較,具有對負(fù)載和蓄電池進(jìn)行瞬間保護(hù)的作用,反應(yīng)速度快,屬于自恢復(fù)型。鉛酸蓄電池過放電會嚴(yán)重影響其使用壽命,因此,在其對負(fù)載供電時一定要注意過放電保護(hù),當(dāng)單片機(jī)檢測出蓄電池端電壓低于過放點電壓值時,即刻發(fā)出控制信號,通過U3耦合來控制M3關(guān)斷,實現(xiàn)過放保護(hù)。由于單片機(jī)通過光耦來控制MOS管的開關(guān),減少了干擾、振蕩和誤動作等現(xiàn)象,使系統(tǒng)運(yùn)行更加平穩(wěn)、可靠,減少了人員的維護(hù)。4.3溫度充足電的影響由鉛酸蓄電池的電壓與溫度的關(guān)系可知:溫度每升高1℃,單格電池的電壓將下降4mV,也就是說,鉛酸電池的電壓具有負(fù)溫度系數(shù)。其值為-4mV/℃。由此可知,環(huán)境溫度為25℃時,工作很理想的充電器,當(dāng)環(huán)境溫度降到0℃時,電池就不能充足電,當(dāng)環(huán)境溫度升到50℃時,電池將因嚴(yán)重過充電而縮短壽命。因此,為了保證在很寬的溫度范圍內(nèi)都能使電池剛好充足電,充電器的各種轉(zhuǎn)換電壓必須隨電池電壓的溫度系數(shù)而變。因此,在實際應(yīng)用中必須采取溫度補(bǔ)償措施對蓄電池進(jìn)行保護(hù)。根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)溫度補(bǔ)償?shù)姆秶鸀?3~-7mV/℃/節(jié),常規(guī)蓄電池一般取值為-4mV/℃/節(jié)。因熱敏電阻的阻值與溫度有關(guān),可以將溫度的變化轉(zhuǎn)換成電壓的變化以供檢測使用,其阻值在一定溫度范圍內(nèi)近似線性變化,可以作為溫度傳感器使用,實現(xiàn)溫度補(bǔ)償。電路如圖4.2所示,由R19,Rt1組成測溫電路,單片機(jī)通過采樣B點的電壓值,得到對應(yīng)的環(huán)境溫度參數(shù),并將采樣值與程序中的固有值比較,從而得出對應(yīng)的溫度變化量,再對蓄電池的過充、過放點電壓值進(jìn)行校正和補(bǔ)償,從而保護(hù)蓄電池。4.4紅色led2顯示放電狀態(tài)該控制器采用兩個LED發(fā)光二極管作為指示電路,綠色LED1顯示充電狀態(tài),正常充電時以頻率為1Hz不斷閃動,當(dāng)充滿時不閃動,而系統(tǒng)充電出現(xiàn)故障時則以2Hz的頻率快速閃動。紅色LED2顯示放電狀態(tài),當(dāng)蓄電池對負(fù)載進(jìn)行正常放電時以頻率為1Hz不斷閃動,如未對負(fù)載放電則不閃動,如系統(tǒng)出現(xiàn)故障或出現(xiàn)過放電則以2Hz的頻率快速閃動,提示用戶采取必要的措施。系統(tǒng)采用2個LED顯示,使得電路非常簡單,信息讀取直觀方便。4.5防反接保護(hù)電路設(shè)計控制器除具有上述功能外還具有防雷擊或高壓保護(hù)功能,當(dāng)系統(tǒng)遭受雷擊或高壓作用時,在輸入端的壓敏電阻RV可以保護(hù)控制器不受損壞,恢復(fù)后可繼續(xù)使用。當(dāng)太陽能電池反接時由R6,D3,BUZZER組成的防反接保護(hù)電路可以進(jìn)行報警提示,提示用戶太陽能電池“+”“-”極性接反,糾正后可繼續(xù)使用。同樣,當(dāng)蓄電池極性接反時上述電路也同樣起到提示、保護(hù)作用,D6又可以防止由于極性接反而造成對負(fù)載的損壞。單片機(jī)和其他芯片工作所需電源由蓄電池提供:通過低壓差低功耗的三端穩(wěn)壓器實現(xiàn)電源后級的穩(wěn)壓,得到穩(wěn)定、純凈的+5V直流電源。而集成運(yùn)算放大器的電源由于其功耗較低,故可采用穩(wěn)壓管直接穩(wěn)壓產(chǎn)生,簡化了電路。5動態(tài)跟蹤技術(shù)對系統(tǒng)性能的影響除了硬件電路外,軟件的設(shè)計也在很大程度上影響了系統(tǒng)的可靠性和充電的效率。尤其是充電方法的實現(xiàn)更為重要。本設(shè)計中的軟件設(shè)計采用了動態(tài)跟蹤技術(shù),單片機(jī)循環(huán)檢測太陽能電池端電壓、蓄電池電壓、負(fù)載電流、環(huán)境溫度等參數(shù),根據(jù)所得參數(shù)進(jìn)行校正,并選擇合適的PWM脈沖信號的占空比,從而對蓄電池實現(xiàn)不同幅值的恒壓充電;在蓄電池各保護(hù)點時可實現(xiàn)不同的控制動作,對蓄電池加以保護(hù),達(dá)到最佳的充電效果。為實現(xiàn)系統(tǒng)的可靠工作采用了先進(jìn)的數(shù)字濾波技術(shù)和電壓回差法來抑制干擾和振蕩等