【毕业学位论文】太阳能半导体照明系统电力电子接口的建模及控制

目 录 录 1 绪论 . 1 言 . 1 阳能半导体照明系统的概述 . 2 阳能半导体照明系统的国内外发展状况 . 4 伏技术国内外发展状况 . 4 明的国内外发展状况 . 5 力电子接口的国内外发展状况 . 6 2 太阳能半导体照明系统的工作原理及特性 . 7 阳能电池的工作原理及特性 . 7 阳能电池的工作原理 . 7 阳能电池的最大功率点特性 . 7 工作原理及主要电特性 . 14 工作原理 . 15 恒流工作特性 . 15 电池的工作原理及充放电特性 . 16 电池的工作原理 . 16 电池的充电特性 . 17 电池的放电特性 . 19 力电子接口的功能 . 20 阳能电池与蓄电池间的电力电子接口的功能 . 20 电池与 载间的电力电子接口的功能 . 28 3 太阳能半导体照明系统的建模及理论分析 . 30 阳能电池与蓄电池间的电力电子接口的建模及理论分析 . 30 阳电池与蓄电池间的电力电子接口的主电路实现 . 30 阳电池与蓄电池间的电力电子接口的控制电路 . 31 电池与 载间的电力电子接口的建模及理论分析 . 34 电池与 载间的电力电子接口的主电路实现 . 34 电池与 载间的电力电子接口的控制电路 . 35 电池与 载间的接口主电路的数学模型 . 35 4 太阳能半导体照明系统的仿真验证 . 39 5 太阳能半导体照明系统的实验验证 . 42 目 录 . 45 致谢 . 46 参考文献 . 47 附录 . 50 1 绪论 11绪论 言 当今世界，随着工业经济的迅猛发展和全球化进程的不断加速，人类对能源的使用量也在逐年的攀升。目前，石油、煤炭等不可再生能源仍是能源消费的主导， 这使得能源短缺和环境保护成为全球最为关注的两大问题。 据相关资料报道，天然气储备估计在 1318000 至 1529000 兆立方米，年开采量维持在 2300 兆立方米左右，将在六十年左右内枯竭1。对于石油储量而言，可支配的化石能源的极限大约为 1180 至 1510 亿吨，以上世纪九十年代世界石油的年开采量 吨计算，石油储量估计可维持到2050年左右。 通常化石能源特别是煤炭的开采利用，还会造成严重的环境污染。目前我国大气、水污染非常严重，生态失衡。全国大约有2/7的城市人口呼吸的空气不达标，几乎有3亿人每天都在饮用受过污染的水，全国有37%的城市大气处于中度及以上的污染。 人类在开发利用能源的历史虽然不长， 但化石能源终将枯竭而被可再生的新能源所替代，节约能源和开发可再生能源也是当务之急。 太阳能作为一种绿色的可再生能源， 逐渐的被国际社会公认为是一种最佳的替代型能源。首先，从根源上说，风能、生物质能、水能、海洋能等都来源于太阳能，因为没有太阳的辐射，就不会有这些能源的产生。太阳能有以下特点： 它是人类可以利用的最丰富的能源。据估计，太阳在过去的11亿年当中，只消耗了它本身能量的2%，所以可以说它是取之不尽，用之不竭；太阳能发电系统建设周期短，一次投资长期受益；太阳光可以说遍布地球的每一个角落，所以对它的开发利用可以就地实施，不需要通过交通运输，这对于偏远山区、电力不发达的地区、海岛等更具有利用的价值；太阳能是绿色环保能源。在开发利用中，不会产生废水、废气等污染源，同时也不会有噪音产生，对生态平衡不造成影响。总而言之，太阳能不会造成环境污染，是绿色环保的清洁能源。 光伏发电系统虽然已经出现很多年，但是由于它在初期的投入资金大，所以在照明领域的应用并不是很广泛。随着发光二极管技术的飞速发展，市场的运用也在逐渐扩大。发光效率高：目前高亮度的白光比之下，白炽灯的发光效率只有10w， 荧光灯的发光效率为50w； 低压直流驱动：以它具有安全的电压源，因此可以在公共场所广泛的使用；寿命长：理论上 平均寿命可达 10 万小时，比起传统照明灯具的5000绿色环保：1 绪论 2基于两者的优点， 太阳能光伏发电技术与阳能半导体照明系统的概述 目前，太阳能的转换利用可分为三种方式：光热转换、光化学转换和光电转换。本文所研究的太阳能半导体照明系统是光电转换，它是利用半导体材料制成的太阳能电池，通过光生伏特的效应，把光能转换成了电能。光伏系统又分为离网型和并网型，没有与公共电网相连接的称为离网型光伏系统，也叫做独立太阳能光伏发电系统，在远离电网的地方，如海岛、山区、高原提供离网型光伏照明特别的实用。本文研究的太阳能半导体照明系统就是离网型光伏系统。根据负载的特性，可以分为交流型、直流型、混合型，如图1-1（a）交流型、 （b）直流型、 （c）混合型三种离网型光伏系统2。 （a）交流型 （b）直流型 光伏电池 蓄电池交流负载 控制器 变器 光伏电池 蓄电池直流负载控制器 1 绪论 3(c)混合型 图1网型光伏系统 本文研究的太阳能半导体照明系统主要由太阳能电池板、电力电子接口、蓄电池、技术实现上来说，由于有低压直流的优点，而太阳能电池所发出来的电也是直流电，所以适合于用太阳能电池作为驱动的半导体照明，系统还节省了逆变的环节，提高了效率。图1本文重点研究的是太阳能电池与蓄电池之间的电力电子接口、蓄电池与图 1阳能半导体照明系统框图 目前，太阳能半导体照明系统已有了公路照明、草坪灯等几个方面的应用。随着新材料技术的迅猛发展，使得w，并且单灯成本减小时，太阳能半导体照明必将取代传统的照明方式3。 太阳能电池板 电力电子接口蓄电池电力电子接口光伏电池蓄电池交流负载 控制器 变器 直流负载1 绪论 阳能半导体照明系统的国内外发展状况 伏技术国内外发展状况 对于太阳能光伏发电技术的探索与研究，可以一直追溯到1839年，当时法国物理学家贝克勒在一次意外中地发现了“光生伏打 (现象。1880年， 后，对能够产生光生伏打效应的器件，人们都把它们称之为“光伏器件”。 在光伏电池出现的初期，它的能量转换效率低，生产成本高。各国的科学家都致力于对光伏电池的效率提升， 对它进行改进， 另外也在努力的降低成本。 1954年， 贝尔实验室的研究人员恰斌在一次无意中发现经过杂质处理的硅可以产生稳定的电压，从而第一次做出了光电转换效率为6%的实用单晶硅光伏电池，经过改进，效率达到了10%，并将它安装在了1958年美国所发射的“先锋1号”人造卫星上，这可谓是开创了光伏发电的新纪元。但在20世纪70年代以前，光伏发电的应用主要还是在宇宙空间，大多数航天器的运行动力是靠光伏发电来提供，所以光伏发电为航天事业的发展做出了很大的贡献。 从20世纪70年代中后期开始，由于技术的进步，光伏电池的制造工艺、材料及结构等不断得到改进，成本不断降低，光伏技术在很多的领域得到了应用，成为21世纪世界能源舞台上的重要成员。 但是，由于光伏电池的价高一直偏高，加上它的发光效率仍旧偏低的原因，它的发展也相对有点迟缓，此时的年增长率平 均保持在12%的基础上。但是到了1997年的时候，各国纷纷宣布实施“百万太阳能屋顶计划”，当年的增长率就达到了42%。所以，短短的十几年时间，太阳能的光伏发电技术得了飞速的发展。 在太阳能电池板的行业内，美国在产量方面一直占居着老大的地位，直到1999年被日本赶超，并长期保持优势，还有德国、西班牙、意大利等国家也在大力的发展太阳能。德国在1990年的时候率先提出“一千个太阳能屋顶计划”，就是在居民的屋顶上安装装机容量为1并网发电系统，此次让太阳能光伏发电技术得到了很大的推广，在今后的一段时间，又推出了“十万屋顶计划”等一系列措施。所以，这些致使德国在光伏发电的装机总量一直领先于其他的国家。 中国是在1958年开始光伏发电的研究， 随着太阳能电池在1972年首次成功应用于东方红二号人造卫星上，之后打开了我国太阳能光伏发电市场。 在德国和西班牙光伏发电市场的拉动下， 我国光伏产业在21世纪全速发展，太阳能电池产量已连续几年翻番增长，电池产量连续3年居世界第一。目前，国内已有很多家海外上市光伏企业和国内上市企业，2009 年太阳能电池产量已超过 400世界光伏电池产量的 40%。近年来，我国积极投资多晶硅材料生产, 1 绪论 5通过自主创新在短短的几年内研发了高纯多晶硅材料， 使我国多晶硅产业规模迅速扩大，打破了外界对我国高纯度多晶硅生产技术的封锁。目前，我国太阳能光伏发电技术已形成多晶硅铸锭、硅片切割、电池制造、组件封装，电站集成等完整产业链，随着电池生产技术水平和电池转换效率不断提高，为提高光伏发电的市场竞争力作出了重要贡献。 明的国内外发展状况 对于半导体们可追溯到上世纪二十年代，先观察到了这种发光现象。但是当时由于技术水平的落后、材料制造设备的限制，这一重大发现并没有很快的被利用。直至20世纪60年代初，随着科技的进步，人们成功的研制了有发射红光的实用价值的二极管，这种二极管被为仪器仪表的指示灯用。出于多种原因，强通常在10能用作室内显示之用4。但是随着技术的进步，使得它的应用领域也在不断的扩大。 在日本在最高亮度日本对此实行技术封锁政策。韩国和台湾地区由于拥有较为成熟的半导体制造和研发技术，目前全世界70%的中高端在欧洲，由于欧洲人的节能意识和环保意识比较强，采用环保产品的接受度较高，而且欧盟最早提出的淘汰白炽灯的相关法律已经开始实施，各国政府在节能灯和 的应用领域纷纷推 出了补贴计划，因此在全球领域，欧洲市场在前在欧洲一些主要国家的超市已经开始有大批量的销售10欧洲照明巨头飞利浦和欧司朗已经在 2010 年法兰克福照明展上大规模亮相其应用产品系列，并开始了市场渠道的建设和推广。 自 2003 年实行半导体照明工程以来，我国 业已进入快速发展时期，我国下游封装已实现了大批量生产，正在成为世界重要的中低端 受国内下游应用产品巨大的制造能力及市场消费的吸引， 除积极介入的民营资本外，台湾地区、香港、韩国及日本的众多投资者都已在我国投资，在提高我国的半导体照明产业技术水平和产业国际竞争力同 时，也加剧了国内市场的抢夺大战。 “节能环保”是人类的未来，“十二五”的核心。半导体照明产业作为低耗能、低排放的典范，成为国家节能减排目标中的战略新兴产业而倍受重视。作为1 绪论 6国家发展下一代照明的战略性技术，力电子接口的国内外发展状况 按电力电子的习惯称谓， 解成其中C 表示直流电）称为整流（包括整流及离线式变换） ，为逆变，时也变压） ，为直流达到转换目的，手段是多样的。20世纪60年代前，研发了半导体器件，并以此器件为主实现电路变换，电力电子学科从此形成了近30年的迅速发展。 我国的晶体管直流变换器及开关电源研制工作开始于 60 年代初,到 60 年代中进入了实用阶段,70年代初开始研制无工频降压变压器开关电源。 1974年研制成功了工作频率为10 出电压为510多年来,我国的许多研究所、工厂和高等院校 已研制和生产出了多种型号的工作频率 20右,输出功率在 1000W 以下的开关电源, 并应用于计算机、通信、电视等方面,取得了较好的效果。工作频率为 100高频开关电源于 80年代初就已开始试制,90年代初试制成功，目前正在走向实用和再进一步提高工作频率阶段。 把直流电压变换为另一种数值的直流电压最简单办法是串联一个电阻，这不涉及变频的问题，显得很简单，但是效率低。用一个半导体功率器件作为开关，使带有滤波器的负载线路与直流电压一会儿接通，一会儿断开，则负载上也得到另一个直流电压，这也就是似于“斩波（”作用。 2 太阳能半导体照明系统的工作原理及特性 72 太阳能半导体照明系统的工作原理及特性 阳能电池的工作原理及特性 阳能电池的工作原理 太阳能电池是光伏发电的一个能量转换器， 它的工作原理利用半导体太阳光（或其它的光）照射到太阳能电池上的时候，电池就吸收光能，产生光生电子空穴对。由于入射光强度从表面到太阳能电池体内成指数衰减，在各处产生光生载流子的扩散运动，电子和空穴对被分离，电池两端出现异号电荷的积累，就产生“光生电压” ，这就是光生伏特效应。 太阳能电池板正是利用这种原理对能量进行转换的， 这主要可以分为以下几个步骤5： 太阳能电池吸收一定能量的光子后， 在半导体中产生电子空穴对，两者的电性相反，空穴带正电，电子带负电； 之后，电子空穴对被半导体最后，电子和空穴对分别被太阳能电池的正、负极所收集，并在外电路中产生电流，从而获得电能。 阳能电池的最大功率点特性 （1）太阳能电池等效电路 图2图可知，电池的外接负载电阻。当0时候，所测得的电流为电池的短路电流测量短路的方法，是用内阻小 图 2光伏电池的等效电路 于1 的电流表接在太阳能电池板的两端。与电池板的面积是相关的，面积越大，值就越大。当向于无穷大的时候，所测得电压为电池板的开路电压二极管电流为通过的方向是与反的。阳能半导体照明系统的工作原理及特性 8是串联电阻，旁路电阻6。 由上述等效图以及定义得： () 公式（20() 1 += = 公式（2 公式（21) 公式（2式子当中，光伏电池内部等效二极管的一个理想的太阳能电池，般都是很小的，而该很大。但是在理想的电路当中， 这两者都是可以忽略不计的。 此时， 流过负载的电流为I=。 （2）太阳能电池的最大功率点特性 图2中 I 电流；短路电流；最大工作电流； U 电压；开路电压；最大工作电压；最大功率。图2图 2阳能电池 I 太阳能半导体照明系统的工作原理及特性 9图 2阳能电池 图2 通过太阳能电池传送的电流电压特定的太阳照度下的关系。如果太阳能电池电路短路，即 0U = ，此时的电流为短路电流如果电路开路，即 0I = ,此时的电压为开路电压太阳能电池的输出功率等于流经改电池的电流与电压的乘积，即 。 当太阳能电池板上的电压上升时， 例如通过增加负载的电阻值或电池的电压从0（短路条件下）开始增加时，电池的输出功率亦从0开始增加；当电压达到一定值时，功率可达到最大，这时当阻值继续增加，功率将越过最大点，并逐渐减少至 0，即电压达到开路电压电池输出功率达到最大的点，称为最大功率点；该点所对应的电压，称为最大功率电压又称为最大工作电压，该点所对应的电流，称为最大电流又称为最大工作电流；该点的功率，则称为最大功率 从图 2可以看出，当日照温度等条件一定时，最大功率点电压应的输出功率最大，工作电压小于，光伏电池阵列的输出功率随端电压升高而增加，工作电压高于，光伏电池输出功率随端电压升高而减小。当日照强度和温度变化时，最大功率点电压随之变化，所以为了提高系统的效率，就需要实现最大功率跟踪，使系统始终工作在最大功率输出点7。 （3）最大功率点跟踪的方法 最大功率跟踪的实现是一个自寻优过程， 即不直接检测太阳电池温度和太阳辐射强度，而是通过控制光伏阵列的端电压，使光伏阵列能在各种不同的日照和温度环境下输出最大功率。 目前，常见的 法的实现方法主要有：电压跟踪法、扰动观察法、增 m 太阳能半导体照明系统的工作原理及特性 10量电导法、间歇扫描法、神经网络控制法以及模糊控制法，但是使用最多、最常见的是电压跟踪法、扰动观察法和增量电导法。 电压跟踪法（这种方法是最早开始使用的，光伏阵列的输出功率主要受电池温度和日照强度的影响， 日照强度的变化对光伏阵列输出功率的影响明显大于温度变化对输出功率的影响。 在日照度很高的情况下，太阳能电池的最大功率点所对应的输出电压化不大，通过一些文献中的实验表明：同一辐照度下的开路电压比值只与光伏组件的参数有关，而对环境温度的变化不敏感，可近似认为一常数。这种最大功率追踪算法称为电压跟踪法。它的原理是忽略电池温度变化对输出功率的影响，只考虑日照强度的变化对输出功的影响。在不同的日照强度下，光伏电池阵列输出曲线的最大功率点基本上是分布在这条垂直的直线附近， 因此只要保持光伏电池阵列输出电压为常数且等于某一日照强度最大功率点的电压， 就可以近似保证在该温度下光伏电池阵列的最大输出功率。电压跟踪法实际上就是把 制简化为稳压控制。电压跟踪法的优点是：有很好的稳定性能，一般在整个系统中都不会出现很剧烈的振荡现象。这种方式控制非常的简单，极易实现。缺点是：控制精度差，特别是对于温度变化差距异常剧烈地区。 扰动观察法：扰动观察法是在太阳电池正常工作时，通过调节电路施加扰动，来改变太阳能电池阵列的工作状态，并且实时观察和计算太阳能电池输出功率的大小，将计算结果与前一时间点进行比较，以此为依据来控制太阳能输出功率点下一步的扰动方向。若输出功率增加，则下一个周期内扰动沿同一个方向进行；反之，则扰动沿相反的方向进行，最终使太阳电池工作在动观察法具有算法简单，易于实现的优点。扰动观察法的流程图如图2动观察法的缺点是: 只能在阵列最大功率点附近振荡运行，导致部分功率损失；初始值及跟踪步长的给定对跟踪精度和速度有较大影响；可能发生程序在运行中的失序误判现象。 2 太阳能半导体照明系统的工作原理及特性 11图 2动观察法的流程图 电导增量法：电导增量法（是过光伏阵列以有 0dP + = 公式（2 = 公式（2 要正确寻找最大功率点，公式(2是关键问题的所在，在光伏电池的输出特性曲线中我们可以看出：当 0时，光伏电池工作在最大功率点处；当0伏电池工作在最大功率点的左边。 由公式（2知，输出电导的变化量等于 输出电导的负值时表明太阳能电池工作在最大功率点。在两者不等时，要先判断导增量法开始 设定 检测光伏阵列输出电压、电流 计算功率 P P 改变扰动方向 是否 2 太阳能半导体照明系统的工作原理及特性 12的控制流程图如图2。 图2导增量法的控制流程图 电导增量法通过对太阳能阵列的瞬间电导和电导的增量来对系统的信号进行控制。在工作的当中，还必须对电压和电流进行采样，这种方法响应的速度非常的快，控制的精度也比较高，能较快的适应各种不同的大气条件。电导增量法的优点是：当光伏电池所处的外部环境发生变化时，其输出端电压能以平稳、较采样检测 Ib dI U=dI U U U b ab =结束 O O 算 U= I= 开始 2 太阳能半导体照明系统的工作原理及特性 13快的方式追随其变化，控制效果好、温度高，而且电压波动较扰动观察法小。缺点是：容易受到各种杂波信号的干扰，而造成较大的误动作，对输出电压、电流等参数的采样精度要求高，而且这种跟踪算法的计算过程比较复杂，实现起来相对困难，对电路硬件的要求很高，成本相对要高。 电导增量法的改进9：电导增量法是通过改变常采用定步长的方法，即取占空比的变化为固定值G。这样在侧占空比步长的变化均为G，但由于、右两侧电压的变化速度差别较大，造成跟踪速度差别较大。 根据太阳能电池的输出特性可知，的范围近似为右侧区域的范围的3般近似地取为4倍)，左侧具有类恒流源特性，电流变化速度慢；右侧具有类恒压源特性，电流变化速度快。因此，出现了电导增量法改进方法：在电流变化速度小于某一值(以 取7%为准，也可以自行设定)时，采用4当电流的变化速度大于7 %或工作点在用样既能保证算法在、右侧的跟踪速度，又能减小在2导增量法的流程图。改进过的增量法有稳定度高、控制效果好等优点，在外部环境参数发生变化时，系统能对它的变化进行快速的跟踪。进行快速跟踪还有一个原因就是不受功率时间曲线的影响。 2 太阳能半导体照明系统的工作原理及特性 14图2改进后的电导增量法的流程图 样检测 Ib dI U=dI U U U b ab =O O 算 U= I= 开始 U 2 太阳能半导体照明系统的工作原理及特性 工作原理 发光二极管（一种新型半导体固态冷光源，它是一种能够将电能转化为可见光的器件，由化镓） 、化镓） 、砷化镓）等半导体制成。它的内部结构实质上是半导体 ，所以具有 正向导通、反向截止和击穿的特性，同时还具有发光的特性。如果子由穴由入的多数载流子与少数载流子复合时就把多余的能量以光子的形式释放出来， 从而把电能直接转换为光能。学系统和电极等组成，是一种电致发光光源。利用外加一足够高的正向直流电压时，空穴和电子将克服别流向穴、电子相遇复合，就产生光。 恒流工作特性 会影响电压电流特性。具有二极管的特征，也图 2流特性 是2流特性。从图中可以看出在正向电压当中，如果电压稍加变动，电流就会立刻增大，从而影响了了使它得到一个稳定的亮度，让外加电压有可能超过正向电压时，所以一般会接入限流电阻。否则，当外加电压发生波动时，会导致正向电压过压，形成电流并通过而造成其损坏。图21 2 3 V 3 2 1 15 太阳能半导体照明系统的工作原理及特性 16图 2电池的工作原理及充放电特性 电池的工作原理 蓄电池作为直流系统电源的重要组成部分，在电力、通信等各行各业的应用日益的广泛。它是一种化学电源，即能够将电能转化为化学能并储存，也能通过内部的化学反应向用电设备供电，是一种可逆的低压直流电源。它的种类也有很多，但是主要有以下几种：传统的铅酸蓄电池、阀控式铅酸蓄电池和碱性镍镉电池、锂离子电池。 在太阳能光伏照明系统当中10，蓄电池基本上是处于浮充的状态。当白天日照量充足的情况下，在给负载供电有多余电量时，我们就通过蓄电池把电能储存起来，以供晚上或者阴雨天气给负载使用。所以，这就要求蓄电池的寿命要长，可以耐过充，自放电要小，受温度等因素的影响小，充电效率高，当然最主要的还有就是价格要适当，操作方便等优点。基于以上因素，目前我们使用的最多的还是阀控式铅酸蓄电池和碱性镍镉电池。 铅酸蓄电池的应用在一个世纪以前就已经开始了，所以到现在为止，它已经是一种成熟的产品了。它的电极是由铅制成，即正极的活性物质为二氧化铅，负极为金属铅，又以硫酸溶液为电解液。它是由正负极板、电解液、隔板、电池槽等几个部分组合而成。是由两组极板插入稀硫酸溶液中构成。它的工作状态：当电极完成充电以后，负极板为海绵状铅，正极板为二氧化铅。在放电后，在两极板上都产生细小而松软的硫酸铅，充电后又恢复原来的物质，这样来回反复的进行变换。 2 太阳能半导体照明系统的工作原理及特性 17太阳能光伏发电系统对蓄电池的基本要求是11：自放电率低；少维护和免维护；工作温度范围宽；充电效率高；深放电能力强。 电池充电特性 （1）蓄电池充电电压特性 图 2示为蓄电池充电特性曲线图。从图中可以看出，蓄电池在充电的过程中主要分为 3 个阶段12：阶段一，图中 是蓄电池在充电的初期，可以看出在这个阶段，电压快速的上升，这主要是因为充电开始时，硫酸铅转化为二氧化铅和铅，有硫酸生产，活性物质表面硫酸浓度迅速增大，导致蓄电池端电压急剧上升；阶段二，充电的中期（图，电压上升变得缓慢，这是由于扩散，活性物质表面及微孔内的硫酸浓度不再急剧增加，导致端电压上升缓慢；阶段三，充电的末期，图中的时电化学反映已经接近结束，电压又开始迅速的上升，到了极析出氧气，负极析出氢气，此时水被分解。这种现象表明，个时候时应该对蓄电池停止充电，不然话的话蓄电池就会被损坏。 图 2蓄电池的充电特性曲线图 通过对蓄电池的充电特性的分析， 我们就可以在它充电的过程中进行合理的控制。可以通过对控制器设置测量电压和电压比较电路，在系统工作时，就对蓄电池的设置值进行比较，当达到电就应该结束13。 对蓄电池充电的目的是为了防止它在充电的过程中出现电解水。众所周知，蓄电池在充电的过程中的氧化还原反应以及水的电解与温度也是有关系的。 如果温度高，则反应进行的快，如果温度低，则反应进行的慢。所以，我们一般要求太阳能照明系统中的控制器可以对蓄电池充满门限电压进行自动温度补偿。 （2）充电电流特性 2 太阳能半导体照明系统的工作原理及特性 18蓄电池在开始充电的时候，充电电流是一个恒 定的值，但是随着时间的推移，电流逐渐下降，一直趋于 0。图 2示为蓄电池充电电流特性。引起此现象的原因是：蓄电池在放电的过程中，电池内的电荷大量的流失，到蓄电池由 图 2蓄电池充电电流特性 放电转为充电的时候，电荷的增长速度就加快，由于其中的化学反应会增加大量的热量和气体。这时，要将热量和气体排放出去，但同时，氢离子和水也会失去，使电池的储能下降。随着电池容量的恢复，蓄电池的充电电流将会自动的下降。一般，蓄电池的放电越深，则恒流充电的时间就会越长，反之则会较短。 （3）蓄电池的充电方法 蓄电池的充电方法有很多种，以下为常见的几种方式： 恒压充电：在充电的过程中，以恒定电压进行 充电。首先，在充电开始的时候，蓄电池的充电电流比较大，但是随着充电的不断进行，蓄电池电压也逐渐升高，而此时的电流则在减小。比起恒流充电，它的优点是14：随着蓄电池的工作，充电电流自动减小，从而充电过程中析气量小。缺点是：充电初期充电电流很大，会降低蓄电池的寿命，同时也容易使蓄电池的温度上升，因此这种充电方法需要额外加入温度补偿电路和限流电路。 恒流充电： 和恒压充电刚好相反的是， 它的工作方式是以恒定电流进行充电，这样可以避免电压因电流太大而影响蓄电池的寿命。 但是电流充电无法使蓄电池保持在浮充的状态，所以无法将它的电量完全充足。 二阶段、三阶段充电法：这种充电方式是克服恒压和恒流充电的缺点而设计的一种充电策略， 先对蓄电池进行恒流充电， 等蓄电池的电压达到气化电压以后，再采用恒压充电，使蓄电池保持在浮充的状态。比起前两种充电方式，二阶段充电法在充电时间和蓄电池的使用寿命上都有了 很大的优势。但是由于在第二阶0 4 8 12 16 20 24 28 充电时间 /h 电电流 /A 2 太阳能半导体照明系统的工作原理及特性 19段，充电电流较小，所以充电的速度还是不容乐观。所以一般还在此基础上，在两个阶段之间加入“充电吸收”，即在这个过程当中，充电电压维持在气化电压以下，但充电电流缓慢下降，这样可以大大的缩短充电时间。 多阶段充电方法：它是在恒流充电的基础上设计的。工作方式：首先对蓄电池采取恒流充电，此时的电压在逐步的加大，到了最大电压时，减小蓄电池的充电电流，这时，由于内部特性的原因蓄电池的端电压也随之减小。当端电压再次充电达到最大电压时，再次减小充电电流，以此循环直至充电电流达到预设的最小值便认为蓄电池达到充满状态。这种方法的优点是充电快速，蓄电池充满后荷电状态高。 在太阳能半导体照明系统中，充电控制时，结合太阳能最大功率点跟踪，这样不仅能提高光伏电池的利用率，同时还兼顾蓄电池的充电特性，从而增加蓄电池的荷电状态，延长使用寿命15。 电池的放电特性 相比较蓄电池充电的特性，放电也可以分为3个阶段，图2段一，图中 是蓄电池在放电的初期，可以看出在这个阶段，电压快速的下降，导致这种现象的原因是在放电初始，活性物质表面的硫酸被消耗 图 2放电特性图 ，硫酸浓度下降，导致电压下降；阶段二，放电的中期（图，电压缓慢下降，这个过程的延续时间很长，原因是硫酸铅的生成导致蓄电池的内阻不断变大，压降相对增大；阶段三，在时的电压急剧下降，这个时候就应该停止放电，否则会损坏蓄电池。端电压在下降的过程中，也可以用下列公式来表示： 公式（2 其中： U蓄电池的端电压； a正极板的超电势； 2 太阳能半导体照明系统的工作原理及特性 20b负极板的超电势； I放电电流； R电池的内阻。 力电子接口的功能 阳能电池与蓄电池间的电力电子接口的功能 （1）后将所得的高频脉冲变换为适合的电平， 再经过整理滤波恢复成所需要的直流输出16。目前，下表2表2这六种基本的变换电路还可以扩展出其他类型的电路， 如正激式、 反激式、推免式、半桥式、全桥式等不同的变换电路17。以下是对前三种基本变换电路工作状态的分析。 （1）降压型（换电路 降压型电路主要分为两种情况：一种是电路在 电流连续动作模式下工作，另一种是电流不连续动作模式工作。本文讨论的是在电流连续动作模式下工作。图 2示的是电流续流状态下的相关电路及波形图： （a）为降压型电路，也称为； （b）开关 Q 导通时的电路； （c）开关 Q 关断时的电路；（d）波形图。工作原理就是：当功率开关管极管时电感储存能量；当功率开关管关闭的时候，电感就释放之前所储存的能量，这时二极管8。 储能形式 名称 电感 降压型 升压型 降压/