毕业设计（论文）-蓄电池光伏充放电控制器的设计.doc

南阳理工学院本科生毕业设计（论文） 蓄电池光伏充放电控制器的设计Design of Photovoltaic Charging and Discharging Controller for Storage Battery总计： 毕业设计（论文） 25页表 格： 1 个插 图 ： 19 幅南 阳 理 工 学 院 本 科 毕 业 设 计（论文）蓄电池光伏充放电控制器的设计Design of Photovoltaic Charging and DischargingController for Storage Battery学 院（系）： 电子与电气工程系 专 业： 电气工程及其自动化 学 生 姓 名： 田 润 学 号： 097409068 指 导 教 师（职称）： 李 鉴（讲师） 评 阅 教 师： 完 成 日 期： 南阳理工学院 Nanyang Institute of Technology蓄电池光伏充放电控制器的设计蓄电池光伏充放电控制器的设计电气工程及其自动化专业 田润摘 要 能源危机的加剧使得光伏电能的应用越来越受到人们的重视，成为新能源利用的主流之一。本文首先讨论了光伏充放电系统的特点和结构，针对光伏电池电压波动对充电系统带来的影响，进行深入分析，提出了解决办法。其次对光伏充放电系统的硬件结构也进行了深入讨论，完成了主要元器件的选型和参数整定，设计了降压型BUCK功率变换回路、MOSFET驱动电路、PWM调制电路、电压电流反馈电路以及电压、电流调节器等主要硬件功能模块。采用PIC 16F877A单片机对系统的工作状态进行综合管理。关键词光伏发电；蓄电池充放电；工程设计法；中断子程序 Design of Photovoltaic Charging and Discharging Controller for Storage BatteryElectrical Engineering and Automation Specialty TIAN RunAbstract： Because of the energy crisis, Photovoltaic (PV) power is more and more important for people, and it has become one of the mainstream new energy. In this topic, the characteristics of PV charging/discharging system have first been analyzed. The perturbation influence of photovoltaic cell has been analyzed. And then some solutions have been put forward. Then the hardware structure of PV charging/discharging controller has also been deeply discussed in this paper. The main components selection and parameter setting have been finished. The sep-down DC/DC-BUCK circuit, the MOSFET drive circuit, PWM modulator circuit, voltage and current feedback circuit, current and voltage regulator circuit have been designed. This paper adopts PIC16F877A to manage the working state of the system.Key words： PV power generation；battery charging/discharging；engineering design method；interrupt subroutines目 录1 引言11.1 课题研究的背景及意义11.2 光伏产业与光伏技术国内外现状11.3 本论文主要研究内容22 光伏充放电系统分析32.1 光伏电池阵列特性分析32.2 蓄电池充放电特性分析52.3 光伏充放电控制器的必要性分析62.4 基于DC/DC变换的光伏充放电控制器分析73 光伏充电控制系统分析84 光伏充放电控制器硬件设计94.1 预期技术指标与系统容量设计94.2 电路总体设计方案104.3 功率主回路设计124.4 MOSFET驱动电路设计134.5 电压和电流反馈电路设计144.6 调节器电路设计154.6.1 电流调节器实现164.6.2 电压调节器实现175 光伏充放电控制器软件设计175.1 总体软件流程图185.2 白天状态处理子程序185.3 夜晚状态处理子程序195.4 定时中断处理子程序205.5 程序优化及抗干扰设计21结束语23参考文献24致谢25II1 引言1.1 课题研究的背景及意义 随着能源危机问题的日益凸显，美国、日本以及西欧的许多发达国家政府都纷纷出台了很多有利于太阳能产业发展的针对性政策和法规，并且投入大量的人力、物力和财力以支持光伏能源的利用开发和研究。光伏能源取之不尽、用之不竭，作为一种可再生利用的新能源，得到了广泛的应用。光伏发电与常规发电如煤炭，石油，核能相比有如下的优点： (1)普遍性。地球上处处都有太阳能，不需要寻找、运输。 (2)无害性。没有废渣、废料、废气、废水的排放，没有噪声，不会污染环境，没有公害。 (3)长久性。只要有太阳，就有太阳能，因此太阳能可以说是取之不尽，用之不竭。(4)巨大性。一年内到达地面的太阳辐射能总量要比现在地球上消耗的各种能量的总和大几万倍。由于光伏能源存在上述的优势，光伏发电在世界范围内受到高度重视，发展很快。从远期看，光伏发电将以分散式电源进入电力市场，并部分取代常规能源；从近期看，光伏发电可以作为常规能源的补充，解决特殊应用领域，如通信、信号等的野外电源，和边远无电地区民用生活用电需求，从环境保护及能源战略上都具有重大的意义。1.2 光伏产业与光伏技术国内外现状 太阳能光伏发电产业自20世纪80年代以来持续高速发展，每年以30%-40%的速度递增。光伏发电技术的应用在当今世界，特别是在非洲、南美、澳洲及亚洲等各国，普遍受到重视。尽管利用太阳能光伏发电具有许多优点，但是其发电的价格比常规电力价格高出许多，在电力市场上无法与常规能源进行竞争。20世纪90年代以前，太阳能光伏发电主要应用在边远的农村无电地区以及远距离通讯、光伏水泵等产业领域。为了鼓励光伏能源的开发和利用，各国政府分别积极制定各种优惠政策来推动太阳能光伏发电的发展。其中，以美日德等西方发达国家为主。美国计划到2010年要求发电成本降到7.7美分/千瓦时；日本计划到2010年一半以上的新居屋顶将安装光伏太阳能光伏发电系统；德国政府颁布的“可再生能源法”于2000年4月1日正式生效。 此外，意大利、印度、瑞士、法国、荷兰、西班牙都有类似的计划，并投巨资进行技术开发和加速工业化进程。从世界范围来讲，光伏发电己经完成了初期开发和规模应用发展，其应用范围几乎遍及所有的用电领域。大功率应用如光伏集中发电并网、屋顶光伏电池建筑等发展迅速；中小功率应用如光伏路灯，景观灯，广告等己逐渐成为市场主力。 我国的太阳能光伏发电系统起步较晚，但是发展速度很快。在2000年之后，多晶硅产品逐步走出实验室，开始形成规模生产，与发达国家相比，技术差距不断减小。2008年北京奥运会，国家计划将太阳能光伏发电融入奥运建筑中，各奥运建筑将大范围采用太阳能等绿色能源利用技术，绿色能源的应用正是绿色奥运的具体体现。但与发达国家相比还存在相当大的差距。首先，我国生产规模较国外比较小，自动化水平比较低；其次，专用原材料国产化程度也不高。因此，我国光伏产业在国内外市场上仍面临着非常严峻的考验。 光伏技术方面，随着硅工艺技术的提升，光伏电池本身的的成本和发电效率不断的提升。目前光伏电池的发电成本可以达到24元/WP，转换效率可达20%.大规模中长期应用较传统的发电方式优势越发明显。 并且近几年来，伴随低功耗、高光通量LED技术日趋成熟，各有关部门都纷纷出台了以LED灯取代传统的高功耗，低光通量照明设备的政策。对照明功耗要求的降低，使得装配容量较小蓄电池的光伏系统就可以满足LED作为照明负载对能耗的需求，无形中为中小功率光伏系统的应用提供了一个广阔的平台。深圳市不久前就正式发布LED产业发展规划(2009-2015年)，争取到2010年，深圳市LED相关产业年产值达到280亿元以上；到2015年，深圳市LED相关产业年产值达到1300亿元以上。如果这些这块市场中适合于光伏充放电系统供电的场合如光伏路灯，景观灯，广告灯等能部分或全部采用光伏系统供电，那么带给光伏市场的经济推动力和价值是非常可观的1。目前，光伏充放电控技术主要的趋势是在光伏电池与蓄电池之间通过DC/DC电力变换设备，对光伏电池的输出能量进行电力变换，控制其输送到蓄电池的充电电压、充电电流符合蓄电池的需求，从而保护蓄电池，延长系统的使用寿命。蓄电池光伏充放电控制器国内外均有产品问世。例如德国STECA太阳能路灯控制器，北京汇能精电科技有限公司太阳能路灯控制器，哈尔滨格瑞太阳能公司太阳能路灯控制器等。大多数光伏充放电控制器产品是采用脉冲式电压的充电方式对蓄电池进行充电，控制器对功率主回路输出的电压、电流控制性能指标分析与设计稍显不足。国外的控制器多采用专门设计的集成芯片控制，价格昂贵，在性价比上也有欠缺。1.3 本论文主要研究内容介于现有相关资料对光伏充放电控制器的探讨多是以实现某些具体功能为切入点，并没有对光伏充电系统进行建模分析与计算，忽略了光伏充放电控制器性能指标的优化设计问题，可能会造成光伏充放电控制器实际运行状况并不理想。针对这一不足，本文从光伏充放电系统的特点出发，在建立光伏充电系统数学模型的基础上，采用连续时间系统的工程设计方法，对充电回路进行设计，使得光伏充放电系统的性能指标得到改善。在改善光伏充放电系统性能的基础上，再展开各种功能上的开发。力求完成一种性能良好、功能完善的中小功率光伏充放电系统的软硬件设计。本文对光伏充放电系统的硬件结构也进行了深入讨论，完成了主要元器件的选型和参数整定，设计了降压型BUCK功率变换回路、MOSFET驱动电路、PWM调制电路、电压电流反馈电路以及电压、电流调节器等主要硬件功能模块。本课题采用PIC16F877A单片机对系统的工作状态进行综合管理。文中阐述了软件总体设计构架和主要软件功能模块的设计思想。完成了蓄电池充电过充保护、蓄电池过放保护、自动调整充电状态给定、光控负载通断以及设定主要充放电参数等功能的设计。2 光伏充放电系统分析 早期的蓄电池光伏充放电系统是不带充放电控制器的，光伏电池通过一个防止反充二极管直接接向蓄电池，当光伏电池电压高于蓄电池电压时，对蓄电池进行充电；当光伏电池电压低于蓄电池电压时，不充电。通过手动开关的通断对负载进行放电。系统的结构如图1所示。图1早期蓄电池光伏充放电系统 这样一个不带控制器的系统存在着许多的缺点和不足，最主要的有：光伏电池直接对蓄电池供电，使得蓄电池的充电状态基本上无法得知，对蓄电池的维护极为不利；负载只能手动控制，实用性非常低。因此，根据光伏充放电系统中固有组成部分光伏电池，蓄电池自身特性设计光伏充放电控制器是非常必要的。2.1 光伏电池阵列特性分析对光伏电池基本特性的了解是展开光伏充放电控制器设计的前提。由于日照强度、电池温度等都会影响太阳电池的特性，因此需要定义标准测试条件(STC)用于地面测试太阳电池性能。即日照强度为l000W/m2，光伏电池温度为250C，太阳辐射光谱为AM 1.5。图2是某一光伏电池在上述标准和定义下的I-U特性曲线。短路电流Isc：给定温度、日照强度下所能输出的最大电流；开路电压Uoc：给定温度、日照强度下所能输出的最大电压。图2光伏电池I-U曲线在理想情况下，由若干个光伏电池组件按M个串联及N个并联而构成一个阵列时，其阵列的电压和单个电池相比提高了M倍，而其电流则较单个电池(或单个组件)则增大了N倍，其效率仍保持不变，其特性曲线亦仅作相应的增长，单个电池或组件的特性仍保持不变。光伏阵列I-U特性曲线如图3所示。图3光伏阵列I-U特性曲线 从图2，图3中能够很直观的看出光伏电池的输出电流和电压的一一对应关系。同时也表明光伏电池既非恒压源，也非恒流源，它不可能为负载提供任意大的功率；它是一种非线性直流电源，输出电流在大部分工作电压范围内相当恒定，最终在一个足够高的电压之后，电流迅速下降至零；输出电流即使在短路状态下不会无穷大而是一个有限值。光伏电池在使用中可以开路，也可以短路。2.2 蓄电池充放电特性分析 蓄电池是整个光伏系统能量的存储设备，通过合理的充电控制尽可能延长其使用寿命是光伏充放电控制器最主要的目的之一。研究资料表明：电池充电过程对电池寿命影响最大，放电过程的影响较少。也就是说，绝大多数的蓄电池不是用坏的，而是“充坏”的。所以充电系统的设计是整个光伏充放电控制器设计的重点；放电回路的设计根据不同的负载要求综合考虑，相对宽松。 蓄电池的电化学原理不是本论文所要研究的主要内容，掌握蓄电池充电电压、电流外部特性，就可展开对光伏充放电控制器的设计。(1)传统的蓄电池充电方法 恒压充电法：使用恒压源直接为电池充电，它是利用开口蓄电池在充满电时，充电电压突然跃升的现象设计的，因此它只是适用于开口蓄电池，而不能用这种方法为密封蓄电池充电。这种充电方法只考虑电池电压这一单一状态的变化，不能有效的反映电池的整体充电状况。它的起始充电电流过大，往往造成蓄电池的损坏。 恒流充电法：使用恒定的电流源为电池充电，充电速率相对来讲都比较低，在恒流充电方式充电后期的充电电流过大，也将对蓄电池是不利的。(2)本文采用三段充电法 以上两种充电方式会在充电的开始或结束阶段对蓄电池产生不利影响。因此本论文采用另一种得到较为广泛认可的三段充电法.对于额定电压12V容量为C的蓄电池三个阶段充电电压、电流曲线如图4所示： 1）恒流充电：当蓄电池端电压低于14.5V时，采用恒流充电。该阶段充电电流值为I，因蓄电池容量而异，一般为I为0.1C左右，C为蓄电池组的容量，在恒流充电状态下，不断检测电池端电压，当电池电压达到饱和电压14.5V，恒流充电状态终止。蓄电池进入恒压充电阶段。 2）恒压充电：当蓄电池端电压高于13.8V时，低于14.5V时，采用恒压充电。该阶段充电电压值为14.5。在恒压充电过程中，随着蓄电池内部的电化学反应，充电电流逐渐减小，即恒压充电时，保持充电电压不变，充电电流不断下降，当充电电流下降到恒流状态下充电电流的1/10约0.01C时，终止恒压充电。蓄电池进入浮充阶段。3）浮充电：以一个小于恒压充电的电压13.8V对蓄电池进行浮充电，该阶段主要用来补充蓄电池自放电所消耗的能量，此时标志着充电过程结束。三段充电方式优点是，充电电流较为理想的逼近理想的充电电流曲线，充电器只需要三种状态的切换，软硬件设计相对简单。图4充电曲线原理图2.3 光伏充放电控制器的必要性分析 对光伏电池和蓄电池各自特性的分析可知：早期光伏充放电系统结构，对充电来说，只要光伏电池的电压高于蓄电池的端电压，光伏电池就能向蓄电池充电，但蓄电池可能长期处于过冲状态，充电的电压和电流也不稳定，这样对蓄电池的寿命是非常的不利，甚至可能由于蓄电池升温过快带来安全的隐患；对于放电来说，早期不带控制器的光伏系统需要通过手动的通断开关来给负载供电，实用性大大降低。所以，在光伏电池与蓄电池充电回路之间加入蓄电池光伏充放电控制器是非常必要的2。 光伏充放电控制器应具备以下的基本功能要求： (1)防电池过充的功能； (2)防电池过放的功能； (3)提供负载防短路与控制的功能； (4)提供系统工作状态信息给使用者的功能； (5)控制器本身自耗电要低； (6)回路压降要低； (7)防光伏组件或蓄电池反接保护； (8)防反充保护； (9)防雷击保护。 图5所示是一个最基本的充放电控制器原理图。在该电路原理图中，由太阳电池组件、蓄电池、控制器电路和负载组成了一个基本的光伏应用系统。开关K1，K2分别为充电开关和放电开关，它们均属于控制器电路的一部分。K1 , K2的开合由控制电路根据系统充放电状态来决定：当蓄电池充满时断开充电开关K1，否则闭合；当蓄电池过放时断开放电开关及，否则闭合。开关K1 ,K2是广义上的开关，它包括各种开关元件，如各种电子开关、机械式开关等。图5基本充放电控制器原理图 基本充放电控制器较早期充放电电路而言实现了防蓄电池过充和过放，负载放电自动控制和保护，回路压降低等要求，性能上有了较大的提高。但是它仍然没有解决控制蓄电池充电电压、电流与蓄电池实时需求的匹配问题，不能真正有效的保护蓄电池。2.4 基于DC/DC变换的光伏充放电控制器分析为了克服早期充放电电路与基本充放电控制器的缺点，弥补其不足，现在得到普遍认可的技术是借助电力电子器件构成的电力变换电路将光伏电池发出的电能进行电力变换，将光伏电池发出的不稳定的电压，电流转换为适合供蓄电池充电使用需求的电压，电流。基于DC/DC变换电路的光伏充放电控制器结构如图6所示。图中反馈采样电路省略未示出。基于DC/DC变换电路的光伏充放电控制器的工作过程为：光伏电池输出的能量送入DC/DC变换电路，电路控制电路根据对蓄电池充电的设计需求控制DC/DC变换输出一定的电压或电流，对蓄电池充电。以上控制电路的实现方式可借助单片机监控整个系统运行状态，结合内部程序的控制算法，通过软硬件协作完成，从而保护了蓄电池，实现对光伏电池电能的优化控制输出。图6基于DC/DC变换的光伏充放电控制器结构 通过合理设计外围辅助电路，一个完备的DC/DC光伏充放电控制器可以具备光伏充放电控制器要求的所有功能要求。虽然增加了电路设计的复杂度，但就目前的技术来说，此方案较早期充放电电路与基本充放电控制器对蓄电池的保护上具有十分明显的优势。因此本文决定采用基于DC/DC变换电路方式，展开对光伏充放电控制器的设计。3 光伏充电控制系统分析 通过之前的分析，蓄电池充电回路的设计是整个充放电控制系统的重点。本论文采用DC/DC变换电路作为光伏充放电控制器的充电功率主回路。对DC/DC变换电路的电压、电流控制是一个典型的双环反馈控制系统。由两个环构成，内环是电流环，外环是电压环。其设计思路是：按照连续系统的工程设计方法，首先设计电流环中的电流调节器，然后将电流环简化成电压环中的一个环节，和其他环节一起构成外环电压调节器的控制对象，电压环的输出作为电流环的给定，用电压控制电流3。这种逐环设计的优点是： (1)每个控制环都是稳定的，从而保证整个控制系统的稳定性； (2)电压环对象参数变化或受到扰动时，电流反馈起到及时的抑制作用，从而对电压环的工作影响小； (3)每个环都有自己的控制对象，分工明确，易于调整。其基本原理如图7所示。图7基于DC/DC变换充电回路控制系统框图DC/DC变换电路有升压(BOOST)型、降压(BUCK)型、升降压(BUCK-BOOST或CUCK)型，具体选择哪一种要根据光伏组件电压、蓄电池电压和负载工作电压来确定。光伏系统中小功率蓄电池充放电用DC/DC变换器一般采用结构较为简单的BUCK型或BOOST型电路，其具有较高的转换效率。本论文选择采用BUCK结构。因为考虑到在BUCK变换器输入侧电压高，电流较小，可以相应地降低开关管导通时的电流，减少开关管的导通损耗和因此而产生的热量，对系统的稳定运行有利。 BUCK变换器属于串联型开关变换器，又称为降压变换器，由电压源、串联开关、电感器、电容器和续流二极管构成，其结构如图8所示。图8 BUCK变换器结构图 以一定占空比PWM信号控制开关管T(MOSFET)的通断。当T接通时，电容C通过L电感被充电，电感也吸收了能量。当T断开时，电感L特性决定其要保持电流不能跳变，从而导致电流流过二极管DZ、电感L，电容C，负载R,这是一个BUCK变换器的工作周期。如果减少占空比，开通时间减少，断开时间增加，则输出电压也将下降。反之输出电压增加。在占空比为50%时，BUCK变换器的效率最高。BUCK变换器的缺点是电源的电流输出的断续的，为了克服这个不足，光伏电池两端并上电容C，稳定光伏电池的工作点。 BUCK变换器在电感电流连续时，输出表达式为： (1)公式（1）中，Ts为开关控制周期； 为开关管T导通时间；D为开关管T的通断占空比； 为光伏电池送入到BUCK变换器电压；VO为BUCK变换器输出电压。 由此可知，BUCK变换器是一个可控系统。控制改变PWM信号的占空比，就可以控制改变开关管T的通断，进而就可以控制改变输出电压或电流。引入负反馈后控制PWM信号的占空比就可以实现控制BUCK变换器输出电压或电流到给定值。4 光伏充放电控制器硬件设计 本章依据光伏充放电控制器的性能指标与电路功能的要求，展开对光伏充放电控制器硬件设计。4.1 预期技术指标与系统容量设计本论文光伏充放电控制器预期的技术指标如表1所示。表1光伏充放电控制器的技术指标太阳能电池一路蓄电池一组12V蓄电池过充电压DC14.5V0.2VPWM启动电压DC15V蓄电池过放电压DC10.80.2V蓄电池过放恢复电压DC13.3V输出电压范围DC10.8-14.5V最大输出电流5A充电回路控制方式PWM脉宽调制放电回路控制方式电子开关 以本论文光伏充放电控制器控制高效LED负载组成60W中小功率光伏系统为例，说明光伏系统容量匹配设计方法。 考虑到光伏系统的特殊性，其能量取自于白天之光照，能量有限，因此光源功率不该选择太大。高效LED光源光效达50Lm /W，故15W的LED光通量达750Lm，相当于50W白炽灯，已经具有良好的照明效果。假设LED负载每天夜间照明时长为10个小时，并且要保证阴雨天能连续工作3天4。上述情况下，每天LED消耗的能量为： (2) 太阳能组件配置的基本原理是使得组件每天所得到的电能等于或者略大于负载每天所消耗的电量。考虑到一定的损耗，对于有效光照保守估计为3小时的地区，选择60W的太阳能板，每天将产生180的电能，可以满足要求，并且有一定的裕量。考虑到使用BUCK降压变换器设计功率主回路，所以可选配串并联后为24V/2.5A的光伏电池组。蓄电池的配置要能够满足最长供电时间的要求，因此其储能最小应该为： (3)留取一定的裕量，将储能调整为500。故选择12V蓄电池时、蓄电池容量应该不低于： (4) 这样光伏电池，蓄电池，LED负载容量的匹配设计就完成了。4.2 电路总体设计方案本论文所设计的光伏充放电控制器的总体结构如图9所示。图9系统结构框图 主控芯片选用PIC16F877A单片机，负责监控管理整个充放电过程。单片机根据反馈采样得到各种电压、电流信息判断蓄电池和光伏电池的状态，以此作为依据，发送各种控制指令如给定充电回路的参考电压u*和接通关断负载等，保证系统按设计需求正常工作5。光伏电池输出的直流电压通过功率回路中DC/DC变换器按单片机控制给定的要求输出相应的直流电压、电流，完成能量的变换传递。系统各个组成部分的主要功能如下： (1)光伏电池接口：接入光伏电池。光伏电池将光能转换为电能，是系统的能量最原始的来源。 (2)功率回路：DC/DC功率变换单元。本论文采用P沟道MOSFET组成的BUCK变换器作为功率回路。 (3)电压、电流调节器：采用电压外环，电流内环的双环控制，含双调节器。电流调节器的输出改变PWM调制器的输出占空比实现对功率回路的控制。 (4)PWM调制器：采用TL494芯片。TL494设计使用带使能端12V射极输出器供电。可通过单片机控制使能端关断对TL494供电，以实现关断充电主回路的功能。 (5)蓄电池接口：接入蓄电池，蓄电池储存光伏电池所发出的能量，并向负载输送能量。 (6)电源模块：将蓄电池电压转换成控制器工作需要的各种电压值。 (7)采样电路：将系统中光伏电池的电压，蓄电池电压，反馈给调节器或转换为符合MCU端口电气特性规范的电压值，以供系统通过模数转换后把数据交给软件做控制、运算所用。 (8)主控MCU：监控系统的状态，完成人机交互，参考电压的给定，开关的通断、过压过流保护等功能。本设计采用PIC16F877A单片机作为主控MCU。 (9)驱动电路：给DC/DC变换器的开关管提供合适的驱动电压。 (10)显示电路：采用1602液晶模块显示模块指示光伏充放电系统的各种工作状态参数。 (11)D/A转换：单片机内部PWM输出，经运算放大器有源低通滤波实现。4.3 功率主回路设计功率主回路设计如图10所示。图10功率主回路各主要元件参数设计与选型分析如下： (1)输出滤波电感L设计 电输出滤波电感L对应图10中的L2，电感的选择应保证输出到而额定电流的1/10时，电感电流仍然保持连续。则： (5)为光伏电池输出电压可取典型值20V，接入12V蓄电池，为开关频率，开关频率提高可以降低对电感的要求，缩小电感的体积，于驱动电路的局限性开关频率不可能无限高，这里折中考虑取： = 20 kHz (6)为输出的额定电流，根据设计预期指标取5A。代入式(5)得：L= (7)(2)输出滤波电容C的设计输出滤波电容C对应图10中的。大的输出电容可以抑制输出的纹波，但选择过大会影响到系统的响应速度，本设计取C=C21=1000uF。通常电容生产厂家给出的电容的RESR*C时间常数为510-6，则计算出R=0.05。 (3)开关管MOSFET Q6, Q8的选型 本设计BUCK变换器选用P沟道MOSFET型号为IRF9540，最大通过电流9A，击穿电压为1OOV。导通电阻0.2欧姆；负载通断用开关选用N沟道MOSFET型号为IRF640，最大通过电流6A，击穿电压为200V，导通电阻0.2欧姆。以上设计均满足性能指标的要求。回路中MOSFET栅源极都接入12V稳压二极管D9, D11，保护栅源极6。 (4)其他功率回路元件设计 续流二极管选型，选用从快恢复二极管MUR9146，其最大正向电流为8A；放电回路接到负载的自回复保险丝选为6A；输入滤波电容C23=1000uF，可以稳定光伏电池的工作点； 为防雷击压敏电阻；电阻，为电流反馈电阻，故=。4.4 MOSFET驱动电路设计BUCK变换电路要正常工作，对其中MOSFET驱动好坏，直接关系到整个BUCK变换器的性能。本设计中的BUCK变换器采用P沟道的MOSFET作为功率开关。本论文设计的MOSFET驱动电路如图11所示。Q7为TL494内部集成的三极管，为便于分析在图11中示出；PWM信号端为TL494内部比较器产生，用于驱动Q7的基极。 PWM端低电平时，Q13作为射极输出器导通，,MOSFET关断。PWM端高电平时，由于之前栅极电压，则Q18的发射结正偏，集电结也正偏，所以Q18导通，MOSFET栅极通过Q18迅速放电到，此时只需设计就可以使得MOSFET迅速关断。由图10等于光伏电池的工作电压，系统正常工作时最低等于15V7。所以本论文取； 。 由于采用了电平移位电路交替驱动Q13、Q18构成的推挽电路，对栅源极电容的充放电电流都比较大，所以驱动MOSFET的动作是很迅速。电阻取80是为了抑制电路寄生电感的存在，造成高速电平变化引起电路谐振，造成跳变沿处电压过冲。图11 P沟道MOSFET驱动电路4.5 电压和电流反馈电路设计PIC16F877A单片机内部集成10bit精度A/D变换器。5V的参考电压下精度为5mV。(1)蓄电池电流反馈 根据欧姆定律，可通过采样串联在蓄电池回路中的高精度电阻两段的电压间接获得，为最终的反馈信号。蓄电池电流采样电路如图12所示。图12蓄电池电流反馈采样电路设计U5A组成同相比例放大器，对蓄电池充电时电压为正，运算放大器输出为正。由于第二章的分析中假设电流反馈系数K=1，且电流采样电阻= 0.01，所以取放大倍数为1008。这里取,。则： (8)R41, 5.1V稳压二极管D17对电流反馈电压VCI-限幅。由于模拟调节器一般来说需要一个微小的超调后才能到达稳态，所以运算放大器的电压设置为7.5V，保证电流反馈可以输出一个微弱的超调到电流调节器。(2)蓄电池反馈采样 蓄电池电压采样电路如图13所示。为最终的反馈信号。由于电流采样电阻很小，可忽略其压降，所以对蓄电池电压的反馈采样可直接用对的采样得到。这样采样电压的方式也与第三章中的充电系统模型分析相吻合。为了减小反馈采样的损耗，,应取较大，可用U4A组成电压器跟随进行阻抗变换，减小下一级的负载效应。根据第二章分析中对电压反馈系数H=0.1的假设，这里取，。图13蓄电池电压反馈采样电路4.6 调节器电路设计 在第二章中已经进行了调节器的详细分析。在进行调节器设计实现之前，先简要说明PWM调制器。PWM调制器采用TL494实现，其内部三角波震荡的峰值Upp = 3V。内部阻容震荡频率可表示为： (9)设计时取阻容震荡电阻电容分别为 = 55k, =102。4.6.1 电流调节器实现 根据第二章中的分析。电流环采用单极点一单零点调节器。采用集成运算放大器LM358加阻容反馈网络组成单极点一单零点调节器，如图14所示。图14单极点-单零点电流调节器电流调节器的传递函数可表示为： (10)通过化简后可得： (11)取C1 C2, 可进一步化简为： (12)根据公式（10）、由公式（11）、公式（12）得：取代入后可依次求得： ，。电流环调节器参数整定完成。4.6.2 电压调节器实现 根据第二章中的分析，电压调节器可以通过PI调节器加极点的形式实现，所以可采用加入反馈滤波和给定滤波的PI调节器校正电压环。采用集成运算放大器加阻容反馈网络组成电压调节器，如图15所示。图15积分型电压调节器图15中，反馈滤波与给定滤波需要取相同的参数，即取R5 =R6 , C4 = C5。图13中，对电压的电阻分压反馈后接入电压跟随，消除反馈滤波对其的负载效应所以的取值可以相对宽松；为了消除PI调节器对反馈滤波环节的负载效应需取R3 lOR5。则图15中的电压调节器传递函数可表示为： （13）对照公式（10）、公式（11）、公式（12）得：取R5=1k,R3=10R5=10 k，依次求得：，。5 光伏充放电控制器软件设计 编程开发运用Microchip公司为其PIC系列单片机设计的MPLAB开发环境；使用基于CCS的PIC单片机C语言；支持ICSP在线可编程调试9。本文假定光伏充放电控制器作为路灯控制器使用，所以程序运行过程依照路灯的应用环境进行开发。5.1 总体软件流程图系统通过采样光伏电池电压为判断依据，引导程序进入白天、夜晚处理子程序，即两种工作状态。这里设光伏电池开路电压大于等于开启充电电压阀值UDI(典型值为15V)时，系统开始对蓄电池充电，程序执行白天处理子程序,否则不执行；光伏电池开路电压小于等于天黑判断电压阀值(典型值为2V)时，程序执行夜晚处理子程序，否则断开充电回路。程序总体设计思路如图16所示。图16程序总体设计流程图5.2 白天状态处理子程序白天状态处理子流程图如图17所示。图17白天状态处理子流程图 白天处理子程序主要完成采样蓄电池的充电电压UBAT、电流值IBAT，以此判断蓄电池充电阶段，并依照判断的结果由单片机通过D/A转换器输出不同的给定电压U*改变充电回路的工作状态。各充电阶段的判断阀值参照图4及表1。 恒流充电以最大电流充电，单片机改变内部PWM占空比控制D/A转换器输出U*=5V，即设置充电电压为50V，由于充电回路为降压DC/DC变换器，而光伏电池最大输出电压小于50V，所以电压调节中的运算放大器饱和，输出给电流环的给定1*被钳制在5V，即充电电流被设置为5A，实现最大电流的恒流充电，可见控制器的具备自然限流的特性。恒流充电时若监测到蓄电池电压达到14.5V，则进入恒压充电阶段。此处加入浮充标志位flag是为了克服浮充状态对恒流充电阶段判断的干扰。 恒压充电电压为14.5V，单片机控制D/A输出U* = 1.45V，实现恒压充电。 浮充充电电压为13.8V，单片机控制D/A输出U* = 1.38V，实现恒压浮充充电。进入浮充前先置位浮充标志位flag，说明蓄电池已经充满。5.3 夜晚状态处理子程序夜晚处理子程序主要完成蓄电池是否过放的判断，以及负载的通断控制。蓄电池过放电压阀值Uov。夜晚处理子程序流程图如图18所示。 图18夜晚状态处理子流程图 夜晚处理子程序主要是对放电过程进行监管控制。放电过程对蓄电池的寿命影响相对较小，但过放的保护是必不可少的，其他的控制策略主要根据负载的需求制定。本文假定控制器接入高效LED作为负载，则负载的放电控制相对比较简单，主要是根据蓄电池的是否过放及是否天亮判决负载的通断。并在放电后清零浮充标志位flag，说明蓄电池已经在充满后有过放电。5.4 定时中断处理子程序由于接入到光伏充放电控制器的蓄电池与光伏电池难免会在参数上有所差异。所以在设计时，加入了四个按键便于使用者根据实际情况对光伏电池，蓄电池的主要阀值参数进行微小的调整，从而提高了光伏充放电控制器的兼容性。采用定时中断处理子程序监控按键是否有按键按下，若无则直接跳出中断，若有则实现按键功能散转。中断处理子程序流程图如图19所示。图19中断处理子程序流程图 每次按下键1，蓄电池过放电压阀值Uov增加O.1V，并将新的参数更新写入EEPROM，以便系统重启后，参数可在系统初始化时读回。蓄电池过放参数Uov在l0V至11V之间循环。参数改变的情况可在图16的形式内容更新中观察到。 每次按下键2，开启充电电压阀值UDI增加0.5V，并将新的参数写入EEPROM，以便系统重启后，参数可在系统初始化时读回。开启充电电压在15V至18V之间循环。参数改变的情况可在图16的形式内容更新中观察到。 每次按下键3，天黑判断电压阀值UDARK增加0.2V，并将新的参数写入EEPROM，以便系统重启后，参数可在系统初始化时读回。天黑电压阀值在2V至4V之间循环。参数改变的情况可在图16的形式内容更新中观察到。 每次按下键4，操作者可直接控制负载的的通断，每次状态取反。这样对负载的放电可以有手动、自动两种方式，便于更加灵活的使用充放电控制器，扩宽了充放电控制器的应用范围。5.5 程序优化及抗干扰设计 软件的高效性，可靠性设计十分重要。无干扰时，程序应能正确、稳定的运行，一旦受到干扰出现故障，应能及时的发现并尽快返回到正确运行状态。为此在软件设计采取了以下措施： (1)利用看门狗不断监视程序运行的时间，一旦超过限定时间，就确认系统已经“死机”，看门狗立即将CPU复位，使之返回正常的程序流程。 (2)采用求平均值的数字滤波，对同一个值进行多次采样求平均值再做判断，减少干扰带来的误动作。 (3)可采用移位运算代替乘除法计算，可以极大的缩短计算时