太阳能充电控制器设计

1 编号编号 太阳电池能充电原路 2 目目 录录 前言前言 3 正文正文 5 0 0 引言引言 5 5 1 1 太阳能电池的基本原理太阳能电池的基本原理 6 6 2 2 太阳能电池的输出特性太阳能电池的输出特性 7 7 3 3 最大功率跟踪原理及算法最大功率跟踪原理及算法 8 8 1 1 最大功率原理 最大功率原理 8 8 2 2 最大功率点的搜索 最大功率点的搜索 8 8 4 4 蓄电池充电效率分析蓄电池充电效率分析 1010 5 5 太阳能充电系统效率分析太阳能充电系统效率分析 1010 1 1 电能系统分析电能系统分析 1111 2 2 太阳能充电系统效率分析太阳能充电系统效率分析 1111 3 3 最大效率设计原则 最大效率设计原则 1212 6 6 系统整体结构设计系统整体结构设计 1212 7 7 太阳能控制器结构太阳能控制器结构 1313 8 8 太阳能控制器电路分析太阳能控制器电路分析 1515 9 9 系统软件设计系统软件设计 19 19 结语结语 2020 致谢致谢 22 22 3 前前 言言 据专家介绍 太阳内部进行着剧烈的由氢聚变成氦的核反应 并 不断向宇宙空间辐射出巨大的能量 太阳内部的热核反应足以维持 年 相对于人类发展历史的有限年代而言 可以说是 取之不尽 用之不竭 的能源 随着能源价格长期居高不下以及环境保护日益受到重视 开发和 利用太阳能已成为世界发展迅速的一个产业 平均年增长达到 太阳能发电是一种清洁型能源系统 且几乎适用于任何地方 大型建筑物 工厂 空地和住宅楼 商业和个人用户都能享受到 太阳能发电的好处 特别是光伏电源系统解决了许多农村学校 医 疗所 家庭照明 电视等用电 对发展边远贫困地区的社会经济和 文化发挥了十分重要的作用 在我国西藏地区有多个无水能资源无 电县采用光伏电站供电 社会经济效益非常显著 中国人口众多 相对资源匮乏 但中国的太阳能资源丰富 据 中国太阳能学会秘书长孟宪淦介绍 我国有荒漠面积 万平方 公里 主要分布在光照资源丰富的西北地区 平方公里面积可安 装 兆瓦光伏阵列 每年可发电 亿度 如果开发利用 的荒漠 就可以发出相当于我国 年全年的耗电量 另 外 在我国的北方 沿海等很多地区 每年的日照量都在 4 小时以上 海南更是达到了 小时以上 中国利用太阳能具 有广阔的前景 然而 比发达国家对太阳能的利用 我们做的远远 不够 差距主要在产业规模和政策支持上 各国在促进可再生能源发展上重要的一项经验就是 太阳能光伏 技术的推广 迫切需要政府的支持和投入 目前 日本和德国是利 用太阳能最多的两个国家 两国政府都在斥巨资购买或推广现今最 为清洁 安全的能源 诺贝尔环境奖获得者马丁 格林教授说 政府的力量是决定这一能源能否在该国普及的关键因素 5 太阳能充电控制器设计太阳能充电控制器设计 摘要摘要 近年来再生能源技术广受重视 而太阳能发电由于有先进的电 力电子技术辅助 已成为极具潜力的再生能源之一 文章介绍了太阳 能电池的基本原理和伏安特性 并且对蓄电池及充电系统进行了分析 得出充电效率的影响因素 采用 MPPT 最大功率点跟踪法 技术 从而达到阵列与负载的最佳匹配 以提高系统的效率 本文提供了一 套 24V 5A 太阳能控制器的电路 该电路采用低功耗的单片机 P87LPC767 作为控制回路的核心 实时测量蓄电池的端电压 通过脉宽 调制控制太阳能电池阵列的充电电压 并通过功率管控制蓄电池与负 载的通断 实现对蓄电池的放电保护 关键词关键词 光生伏打效应 太阳能电池阵列 MPPT 最大功率点跟踪法 逐步逼近法 充电效率 太阳能控制器 蓄电池 P87LPC767 DC DC 转 换 0 引言引言 步入 21 世纪 随着工业生产的发展 世界能源问题越来越紧迫 能源问题位居世界十大焦点问题之首 据估计 我国的常规能源将在 百年之内全部耗尽 开发和利用太阳能等新能源成为一项非常重要而 紧迫的任务 光伏发电具有传输方便的特点 在通用性 可存储性等 方面具有光热利用和光化学转换利用无法替代的优势 且太阳能电 池的原料硅的储量十分丰富 太阳电池转换效率的不断提高 生产 成本的不断下降 使光伏电池用于偏远无电地区的中小功率离网用户 6 成为可能 我国西部地区地广人稀 大部分地区远离大电网 用电人口 也较为分散 能源问题成为制约这些地区发展的关键问题 为远离大 电网的家庭用户提供恒定电压和频率电力的成本很大 典型的做法是 使用安装成本较低但运行成本很高的柴油发电机组 这种做法效率低 而且维持费用较高 也会带来噪声和大气污染 采用太阳能户用系统 能很好地解决上述问题 太阳能发电的主要优点太阳能发电的主要优点在于 太阳能电池可以设置在房顶等平 时不使用的空间 无噪音 寿命长 而且一旦设置完毕就几乎不要 需要调整 现在只要将屋顶上排满太阳能电池 就可以实现家中用 电的自给 现今太阳能的主要用途已不再是小规模的 从性质上来 说 是专业化的 它从军事领域 通信领域到城市建设领域等都起 到了重大的作用 委内瑞拉还推出廉价太阳能车 欧洲科学家研制 出轻便的可穿在身上的太阳能电池 目前 太阳能的利用存在着巨大 的发展空间 有关的技术有可能在短时间内实现突破 它已被许多 发达国家作为其能源战略的一个重要组成部分 1 太阳能电池的基本原理太阳能电池的基本原理 当物体受到光照时 物体内的电荷分布状态发生变化会产 生电动势和电流 这种现象称为光生伏打效应 该效应在液体 和固体物质中都会发生 但只有在固体中 尤其是在半导体中 才会 有较高的转换效率 太阳能电池是一种利用光生伏打效应把光能转换为电能的器件 当太阳光照射到半导体 P N 结时 会在 P N 结两边产生电压 使 P N 7 结短路 就会产生电流 这个电流随着光的强度的加大而增大 当接受 的光的强度一定时 就可以将太阳能电池看成恒流源 2 太阳能电池的输出特性太阳能电池的输出特性 对于太阳能电池方阵而言 应按照用户的要求和负载的用电量及 技术条件确定太阳能电池组件的串并联数 串联数由太阳能电池方 阵的工作电压决定 应考虑蓄电池的均浮充电压 线路损耗以及温度变 化对太阳能电池的影响 蓄电池的容量决定其最大充电电流 该数值 再结合负载电流 可决定太阳能电池并联数 图图 1 太阳能电池输出特性太阳能电池输出特性 太阳能电池的输出特性如图 1 所示 太阳能电池的输出伏安特 性曲线 是进行系统分析的最重要的技术数据之一 从图中可以看出 太 阳能电池的伏安特性具有强烈的非线性 在光伏系统中 负载的匹配 特性决定了系统的工作特性和太阳电池的有效利用率 要想在太阳 电池供电系统中得到最大功率 必须跟踪日照强度和环境温度条件 不 断改变其负载阻抗的大小 从而达到阵列与负载的最佳匹配 以提高系 8 统的效率 该方法称为 MPPT 最大功率点跟踪法 3 最大功率跟踪原理及算法最大功率跟踪原理及算法 1 最大功率原理 最大功率原理 在一特定的环境下 太阳能电池发电的 U I 特性和 P I 特性曲 线如图 1 所示 太阳能阵列输出功率表达式为 P U I 1 由太阳能输出功率特性曲线可知 在 dp dv 0 处 即为最大功 率点 由式 1 和太阳能阵列的输出特性曲线可知 dp dv 0 系统运行在最大功率的左边 dp dv 0 系统运行在最大功率的右边 dp dv 0 系统运行在最大功率的点 2 最大功率点的搜索 最大功率点的搜索 最大功率点的搜索方法很多 梯度法 扰动法 电导增量法 自适应算法等等 但本文采用更为优越的逐步逼近法 该方法的控 制思想是 选择较大的初始步长 搜索出最大功率所在的范围 然 后等比例的缩小范围直到搜索到最大功率点 其在搜索过程中不断 调整搜索步长 每次调整都使得精度成倍提高 从而大大提高了精 度 首先 选择较大的步长搜索最大功率点所在的区域 然后按比 例搜小步长 再重复搜索 这样搜索到的最大功率所在区域将缩小 一半 精度提高一倍 再如此循环下去 直到逼近最大功率点 该 9 过程流程图如图 2 开始开始 I dp I0 m n 1 m n 1 n sign dp du 检检测测 Ui li 计计算算Pi dp pi pi 1 du du du 1 K 2 Y Y Y Y N N N N 10 图图 2 逐步逼近法流程图逐步逼近法流程图 4 蓄电池充电效率分析蓄电池充电效率分析 铅酸蓄电池具有技术成熟 成本低 电池容量大 跟随负荷输 出特性好 无记忆效应等优点 理论和实践证明 蓄电池充放电是一个复杂电化学过程 一般地 说 充电电流在充电过程中随时间呈指数规律下降 不可能自动按恒流 或恒压充电 影响电池快速充电的因素就是蓄电池充电过程中的各 种极化现象 电池极化使电池内部压力加大 温度上升 外部表现为内 阻随着充电时间的推移而增大 造成电池充电接受能力的下降 从而阻 碍蓄电池的继续充电 因此 由极化电阻产生极化电压是影响充电效 率的重要原因 采用脉冲充电方式 适时进行停充电或反向瞬间大电 流放电 从而泄放掉内部电容上积累的电荷 有效缓解极化 电压迅速 下降 电池可接受电流变大 充电接受电流是充电时间的指数函数 因 此脉冲充电可以持续以大电流充电 极大缩短充电时间 达到快速充电 目的 总的来说 采用脉冲充电的方式 可以有效地缓解电池充电的极 化现象 提高充电效率 铅酸蓄电池充电电压基本恒定 为保证其充电 的可靠性并兼顾保证充电安全 需将太阳能电池板的输出进行合理的 调整 经比较选用DC DC 转换电路 可实现充电的安全性 可靠性 DC DC 转换最大的特点就是升P降压保持以及稳定电压 采DC DC 转换模块可以很好地解决太阳能电池板输出电压不稳的问题 达到充 电可靠 安全 稳定的目的 11 5 太阳能充电系统效率分析太阳能充电系统效率分析 根据物理学可知 发电能力与负载无关 而发电设备的输出能力 则是由负载所决定的 就是说 电能输出设备的输出最大能力取决于外 部能量的输入和转换效率 而这些电能量能否完全被利用 则取决于负 载备 1 电能系统分析电能系统分析 描述发电设备能力和电能利用关系可以用下式表示 Eg f e 2 其中Eg 是负载情况下的输出电能 f e 是在输入能量条件下所能转 换的能量 式 2 指出 任何时刻发电设备发出的能量都与负载设备所消耗的 能量相等 对于一个发电设备来说 其最大输出能量fmax e 是一个固定的 数值 而f e 则是由负载决定的能量 在工程实际中 fmax e f e 叫做欠负荷 fmax e f e 叫做满负荷 还有一种情况就是所需要 的Eg fmax e 这种情况下仍然有式 1 成立 但此时并不能完全满 足负载所需要的电能 因此 在这时负载系统所得到的电能小于实际需 要 而发电设备输出的电能等于fmax e 2 太阳能充电系统效率分析太阳能充电系统效率分析 在太阳能充电系统中 为了尽量提供充电能力和效率 必须把充电 系统划分为两个部分 一个是充电电路 一个是控制电路 这两个电路 都会消耗电能 对于充电电路 这部分消耗的能量是电池充电中所经 12 过电路的损耗 对于控制电路 这部分是完成所需要的充电控制所需要 消耗的能量 由此可知 太阳能充电系统中 为了尽量提高充电效率 应当尽量减少充电电路和控制电路的能量损耗 设充电电路的功率 损耗为Pcp 控制电路的功率损耗为Pctr 电池吸收的功率为Pb 则根 据能量守恒 得到 Pl Pcp Pctr Pb 3 其中Pl dEg dt是充电系统的输入功率 由此 Pl dEg dt df e dt Pcp Pctr Pb 4 根据式 3 可得到充电系统的效率为 e Pb Pl Pl Pcp Pctr Pl Pl Pcp Pctr dEg Pdt 5 把式 2 带入式 5 e Pl Pcp Pctr dEg Pdt Pl Pcp Pctr Pf e dt 如果考虑满负荷工作 e Pl Pcp Pctr dEg dt Pl Pcp Pctr dfmax e dt 6 式 6 指出 充电效率与以下因素有关 充电电路和控制电路损耗 太阳电池的输出功率 3 最大效率设计原则 最大效率设计原则 由以上分析可知 为了保证充电效率 太阳能充电系统必须满足 充电电池必须保证功率吸收能力 尽量减少充电电路和控制电路的损耗 13 选择合理的太阳能电池转换输出能量 6 系统整体结构设计系统整体结构设计 针对太阳能电池板输出电压 功率的变化性以及提高铅酸蓄电 池充电效率的方法的分析 我们选择了DC DC 转换模块与充电管理 模块相配合为蓄电池充电的方式 系统整体结构如图3所示 太太 阳阳 能能 电电 池池 板板 DC DC 转转 换模块换模块 充电管理充电管理 模块模块 蓄蓄 电电 池池 图图 3 系统整体结构系统整体结构 太阳能电池板受其接受太阳光的影响 输出为呈显著变化的直流 电压 经 DC DC 转换模块将其转换为蓄电池充电所需要的稳定电压 再经过电路的合理调整 使其输出为合适的电脉冲 并经充电管理模块 的可靠保护对蓄电池进行充电 7 太阳能控制器结构太阳能控制器结构 图 4 为简易太阳能控制器电路结构图 蓄电池和太阳能电池阵列 直接耦合 当白天有阳光时 太阳能电池阵列向蓄电池充电 控制电路 测量蓄电池端电压 通过调整 DC DC 中功率管的占空比 使得太阳能 电池阵列的输出电压高于铅酸蓄电池的端电压 同时蓄电池通过负载 14 放电 当夜晚或阴天阳光不足时 蓄电池放电 保证负载不停电 在充 电过程中 蓄电池两端电压 Vb从高到低或从低到高地不断变化 其伏 安特性可表示为 V Vb I Rb 7 V为蓄电池的电动势 Rb为蓄电池的内阻 通常Rb的值很小 可忽略 不计 则蓄电池模型可处理为 V Vb 常数 若设定蓄电池在充放电过程中其端电压Vb的最大值和最小值 分别为Vmax和Vmin 则在蓄电池工作期间 其端电压应在Vmax 和Vmin之间变化 图图 4 太阳能控制器电路结构太阳能控制器电路结构 蓄电池的输入特性如图 5 曲线 a 太阳电池特性曲线如图 5 中 曲线 b 图 5 中 蓄电池的输入特性曲线接近太阳电池方阵的最大功 率线 两者本质上具有良好的匹配特性 因此 若是在小型的户用系统 中要合理选择太阳电池的串并联数 使阵列在最大功率点附近的运行 电压近似于蓄电池的端电压 就可以获得蓄电池和太阳电池方阵之间 的电压最佳匹配 从而省去 MPPT 和 CVT 控制器 降低系统成本 提高 15 系统的可靠性 有利于小型户用系统的推广应用 图图 5 太阳能电池阵列和蓄电池直接耦合图太阳能电池阵列和蓄电池直接耦合图 8 太阳能控制器电路分析太阳能控制器电路分析 图图 6 太阳能控制器主回路电路图太阳能控制器主回路电路图 图 6 为 24 V 5 A 太阳能控制器主回路电路图 该控制器采用单 路旁路型充放电控制器形式 即 MOSFET 管S1并联在太阳能电池 阵列的输出端 当蓄电池端电压充到均充电压值时 S1进入脉宽调 制状态 避免蓄电池过充 图 6 中Vin 和Vin 连接太阳能电池阵列的输出 Vout 和 Vout 连接直流负载 VB和GND连接铅酸蓄电池的正负两端 D1为 防反充二极管 只有当太阳能电池方阵输出电压高于 16 蓄电池电压时 D1才能导通 反之D1截止 从而保证夜晚或阴雨 天时不会出现蓄电池向太阳能电池方阵反向充电 起到 防反向充 电保护 作用 D2为 防反接二极官 当蓄电池极性接反时 D2导通 使 蓄电池通过D2短路放电 产生很大电流快速使保险丝F1 烧断 起到 防蓄电池反接保 作用 MOSFET 管S2为蓄电池放电开关 在铅酸蓄电池放电时 从 保护蓄电池的角度出发 当蓄电池电压小于 过放电压 时 S2截 止 切断蓄电池和负载的回路 进行 过放电保护 避免电池放空 损坏蓄电池 当太阳能电池阵列重新供电 只有当蓄电池电压重新 升到浮充电压时 S2才重新导通 接通负载回路 需要指出的是 当控制电路切断负载回路后 控制电路仍然要 消耗蓄电池能量 因此控制电路要尽量减少电子元器件以降低功耗 出于此目的 该电路采用 PHILIPS 公司的单片机 P87LPC767 作为 CPU 该单片机是 20 引脚封装的单片机 基本结构与 51 系列兼容 适合于许多要求高密度 低成本的场合 其内含 4KB 的 OTP 程序 存储器和 128B 的 RAM 并且内置 4 路 8 位 A D 转换器 尤其是工 作在 100 kHz 4 MHz 电源电压为 3 3V 时 其功耗电流仅为 0 044 1 7 mA 非常适合蓄电池供电的系统 受体积和成本的限制 以单片机为核心的控制电路电源直接通过蓄 电池端电压变换得来 该电路通过图 4 中的 LM317 三端可调稳压器 变换出单片机的电源电压 控制电路与主回路共地 17 LM317 为三端可调正压稳压器 其输电压范围为 1 25 7 V 只 图图 7 单片机电源变换电路单片机电源变换电路 需 2 个外接电阻即可设置输出电压 LM317 的输出端VOUT和调整 端 adj 之间提供 1 25V 的基准电压 VREF 输出电压满足式 8 VOUT VREF 1 R1 R2 8 由于 LM317 的输人和输出电压差为 40V 而对于 24V 的太阳能 控制器 太阳能电池阵列的开路电压有可能达到 50V 为避免瞬间 过压 在 LM317 输人端并接稳压管 D 进行保护 图 8 为单片机 P87LPC767 的管脚连接图 电路中单片机的主要 功能就是测量蓄电池端电压 进而控制S1和S2的导通状况 保证 电路的稳定运行 由于 P87LPC767 自带 8 位 AD 单片机又与主回路 共地 因此采用直接电阻分压测量即可 即电路图 5 中的VADT 当该控制器负载为路灯时 应具备光控功能 即有太光时 S2 截止 夜晚或阴雨天光线不足时 S2导通 路灯照明 由于光线不足 时 太阳能电池阵列的输出电压下降显著 因此可通过对其输出电 压 进行分压测量 VAD2 判断光线情况 作为S2导通和截止的一 个判断依据 18 图图 8 P87LPC767 管脚连接图管脚连接图 P87LPC767 使用 P 1 7 Fzs 和 P1 6 PWM 作为两个 MOSFET 的 栅极控制信号 以S1的控制为例 当 P1 6 输出高电平时 MOS 管S1导通 S1栅极驱动信号Vad1 被拉低 S1截止 如图 9 所 示 由于 MOSFET 的栅极驱动电压不能超过 20 V 因此当 P1 6 输 出为低电平时 Vs截止 蓄电池电压经 R9 和 R 3 分压后产生S1 的驱动信号 S1和S2在主回路中的连接方法可解决其驱动共地问 题 19 图图 9 MOSFET 的驱动电路的驱动电路 图图 10 蓄电池容量指示驱动电路蓄电池容量指示驱动电路 控制器还配置了蓄电池放电容量指示灯 如图 10 所示 4 个发光二 极管分别对应蓄电池容量的 100 75 50 和 25 P87LPC767 测 量蓄电池端电压后 根据其数值决定 4 个发光二极管的亮灭情况 需要指出的是 当蓄电池充电时 其端电压与容量 m 没有直接关系 发光二极管的指示没有实际意义 只有当蓄电池放电时 其端电压 可以在一定程度上反映电池容量例如若 12V 的蓄电池端电压下降到 10 8V 时 则可认为其容量为 0 20 9 系统软件设计系统软件设计 根据系统的工作过程和设计需要 为提高软件的可读性和编程效 率 采用模块化编程 C 语言描述 主要包括主程序和子程序2