超级电容_铅酸蓄电池混合储能的太阳能充电器

1、基金项目 :福 建省 科技 计划 重点 项目 (2009H 0034 ; 厦门 市 科 技计划重点项目 (3502Z 20093033 ; 泉州 市科 技计 划重 点项 目 (2008G 7 ; 福建省自然科学基金项目 (2010J 01338 。 收稿日期 :2011-02-21作者简介 :林建南 (1978- , 男 , 硕 士 , 主 要从事 半导体 光电照 明 技术研究 。 郭震宁 (1958- , 男 , 教授 , 主 要从 事 半导 体发 光器 件及 其光 学 设计与应用研究 。超级电容 -铅酸蓄电池混合储能的太阳能充电器 *林建南 , 郭震宁 , 刘祖隆(华侨大学信息科学与工程学

2、院 , 福建 泉州 362021摘要 :独立型太阳能照明系统存在铅酸蓄电 池使用寿命短且弱光条件下系 统充电能力 不足的缺 点 , 为了 改进系统 性 能 , 文中设计了基于超级电容 -铅酸蓄电 池混合储能的太阳能充电器 , 采用 U C 3909智能管 理芯片实现 对铅酸蓄 电池具 有 温度补偿功能的的四阶段充电管理 ; 并利 用超级电容器组及升降压转 换电路 实现弱 光充电 功能 , 优化铅 酸蓄电 池充放 电 过程 , 提高系统效率及稳定性 。关键词 :超级电容器 ; 混合储能 ; U C 3909; 温度补偿 中图分类号 :T P 273文献标识码 :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 言近年来随着能源短缺问题日益突出 , 太阳能、 风能 等新型无污染的替代能源应用日益受到重视。独立型 太阳能照明系统因其结构简单、 无需铺设电缆 , 且搭建、 携带较为方便等特点在照明领域有着广泛应用前景。 但目前急需解决的有铅酸蓄电池使用寿命较短及系统

7、 在弱光条件下充电能力不足这两大问题。系统储能元 件铅酸蓄电池设计寿命约三年 , 但由于充电方式、 存储 方式以及人为等诸多因素的影响导致 其使用寿命过 短 1, 需要经常更换 , 不仅加大了使用成本也影响了系 统的稳定性。另外大部分已使用的系统在弱光条件下 充电能力不足 , 导致系统太阳能板利用率不高 ; 传统提 高弱光充电能力的方法是采用组态优化控制来实现 , 即 根据外界光照强弱采用继电器控制太阳能板组件按照 串联或并联等不同的组合方式给蓄电池充电 , 确保太阳 能板组件输出电压始终达到设定充电电压 2。这种方法虽然可以实现弱光充电 , 但在组态变化的瞬间 , 电路 输出电压波动较大 ,

8、 影响系统稳定性。此外 , 由于采用 继电器控制 , 继电器的机械开关触点在工作较长时间后 容易磨损失灵甚至引起误操作。为了有效提高系统弱 光充电能力 , 本文采用超级电容器组及升降压电路来实 现弱光条件下有效充电 , 并采用 UC 3909实现对胶体密 封铅酸蓄电池智能化充电管理 , 延长蓄电池使用寿命。1 铅酸蓄电池充电特性铅酸蓄电池的充电特性是由其最大接受充电能力 来体现 , 是在保证蓄电池析气率较低、 温升较低时所能 承受的最大充电电流。其充电特性曲线方程式为I =I 0e -a t(1式中 , I 为充电电流 ; I 0为初始最大充电电流 ; a 为最大 接受力比 ; t 为充电时间

9、 3。在实际的电池充电管理过程中 , 要使蓄电池的充 电过程完全吻合该充电特性曲线存在较大困难 3。因 此本着提高充电效率、 保障蓄电池使用寿命、 实现合理 有效充电的原则 , 参考充电特性曲线 , 采用智能控制芯 片 UC 3909实现对胶体密封铅酸蓄电池分段充放电控 制管理。2 基于 UC 3909控制器的四阶段充电目前独立型太阳能照明系统中蓄电池充电控制器#恒压充电、 后浮充充电。但由于某些应用场合的蓄电 池会经常出现过度放电的情况 , 如果一开始就直接进 入较大电流充电的恒流充电阶段 , 容易造成热失控 , 易 损坏蓄电池。所 以在最开始的时候应该 采用小电流 I T 充电的涓流充电模

10、式 , 等蓄电池的端电压达到设定 的充电使能电压 U T 时 , 再进行恒流充电。 UC 3909芯 片可以根据蓄电池的状态实现涓流充电、 恒流充电、 恒 压充电和浮充充电四个阶段合理充电 , 如图 1 所示。图 1 UC 3909的四阶段充电曲线状态 1:涓流充电当蓄电池电压低于充电使能电压 U T , 充电器提供 很小的涓流 I T 进行充电 , I T 一般约为 0. 01C(C 为蓄电 池容量 状态 2:恒流充电当蓄电池的电压达到充电使能电压 U T 时 , 充电器 提供一个大电流 I BULK 对蓄电池进行恒流充电 , 这一阶 段是充电的主要阶段 , 蓄电池端电压上升很快 , 直至电

11、 压上升到过压充电电压 U OC 时进入恒压充电阶段。状态 3:恒压充电在此阶段 , 充电器提供一个略高于蓄电池额定值 的电压 U O C 进行恒压充电 , 电路的充电电流将按指数 规律逐渐减小 , 直至电流大小等于充电终止电流 I OCT (约为 10%I BU LK , 蓄电池已被充满 , 充电器进入浮充 充电状态。状态 4:浮充充电浮充充电阶段 , 充电器提供浮充电压 U F 对蓄电池 以很小的浮充电流进行充电 , 以弥补蓄电池自放电造 成的容量损失。同时由于蓄电池的浮充电压随温度变 化而变化 , 因此需要选择与蓄电池相同温度系数的热 敏电阻进行温度补偿 , 确保在任何温度下都能以精确

12、的浮充电压进行浮充充电。温度系数一般选择 -3. 5-5mV/e 。3 充电电路设计图 2所示为基于 U C 3909太阳能蓄电池充电器电 路框图 , 光伏阵列经过电压电流采样再经模数转换将 数字信号反馈至单片机 , 单片机根据光伏阵列的工作列的最大功率跟踪。超级电容器组、 DC/DC 变换器、 UC 3909用来实现对阀控铅酸蓄电池的四阶段充电控 制 , 并利用超级电容的特性优化充放电过程 6。本文 侧重对超级电容器组、 U C 3909及 DC/DC 变换器等部 分实现对阀控铅酸蓄电池四阶段的充电分析及设计。图 2 系统框图3. 1 UC 3909充电器主要参数设计基于 U C 3909的

13、充放电电路如图 3 所示。图 3 基于 UC 3909的充放电电路根据 U C 3909内部集成电路及光伏阵列、 超级电 容参数并结合阀控铅酸蓄电池的容量及额定电压等参 数对电路各个部分进行合理计算设计。本设计使用赛 特公司生产的 12V, 65Ah 胶体密封铅酸蓄电池 , 根据 厂家提供的蓄电池充电参数 , 浮充电压 U F 取 13. 8V, 充电使能电 压 U T 取 10. 8V; 过压 充电电压 U OC 14. 7V; 涓流充电电流 I TC 取 0. 26A; 恒流充电电流 I BU LK 取 系统最大充电电流 6. 5A; 过充终止电流 I O CT 取 1A 。 根据以上厂家

14、所提供的蓄电池参数 , 参照 UC 3909芯 片资料及相关参考文献 7-8, 计算 U C 3909外围元件参 数 , R S 1、 R S 2、 R S 3、 R S 4计算公式如下 :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 : 超级电容 -铅酸蓄电池混合储能的太阳能充电器 T e

15、lecom P ow er T echnolo gy Jul. 25, 2011, V ol. 28N o. 4式中 , U REF 为 UC 3909内部基准电压 2. 3V 。代入相关 值计算得 (R S 1、 R S 2、 R S 3、 R S 4分别为 245k 8、 16k 8、 53k 8、 975k 8。另外 , 可以根据流入 U C 3909内部电流误差放大 器反向输出端 CA -的固定控制电流 I TRCK 、 涓流充电电 流 I T 、 恒流充电电流 I BULK 及过充终止电流 I OCT 计算得 出 R G 1、 R G 2, R OVC 1和 R OV C 2, 其基

16、本计算公式如下 :R G 1=5I T R S /I TRCK (5 I TRCK =0. 115V/R SET (6R SET 取 11. 5k 8, 电流采样电阻 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满足以下关系式 :R OVC1=1. 852I OCT R S R OV C2(7 最终 R O VC 1和 R OV C 2分别选取为 1k 8, 10k 8。 3. 2 铅酸蓄电池的温度补偿光伏系统中的铅酸蓄电池一般与太阳能板一起

17、安 装在户外 , 而周围温度的变化对铅酸蓄电池的性能有 重大影响 , 有研究表明 3, 铅酸蓄电池的浮充电流对温 度极为敏感 , 温度每变化 10e , 浮充电流成倍增长 , 对 于本设计中用到的蓄电池 , 根据厂家提供的参数 , 同一 浮充电流下 , 其温度系数为 -3. 9mV/e , 也就是说如 果要防止浮充电流增加 , 当温度升高 1e 时 , 其浮充电 压应该降低 3. 9mV ; 同理 , 当温度降低 1e 时 , 其浮充 电压应该升高 3. 9mV才能保持浮充电流不变。 图 4 铅酸蓄电池温度补偿电路U C 3909内部集成了具有铅酸蓄电池温度补偿功能的电路如图 4所示 , A

18、1为电流 /电压转换元件 , 其输 入端分别接 10k 8普通电阻及 10k 8热敏电阻。 A 2与 外接四个 20k 8电阻组成差动运算放大电路。 R T HM 一 般贴附在铅酸蓄电池的表面壳体用于检测其温度 , 当 铅酸蓄电池内部温度变化时 , 通过热敏电阻 R THM 的反 馈 使 U C 3909的 基 准 电 压 2. 3V 也 随 温 度 按 -3. 9m V/e 的温度系数变化。从而确保铅酸蓄电池 在浮充状态下准确工作于安全的浮充电压 , 保护了铅 酸蓄电池。3. 3 DC /DC 变换器设计由于光伏 阵列受 外界环 境影响 较大 , 本系 统中 12V 的太阳能板输出电压的变化

19、范围约为 020V, 如果直接为铅酸蓄电池充电 , 由于铅酸蓄电池的正常工作电压要高于 10. 8V, 因此当弱光条件下 , 太阳能 板的输出电压低于铅酸蓄电池的端电压时 , 其产生的 电能不能被铅酸蓄电池吸收。因此本系统采用把太阳 能板输出经过超级电容器组 , 再由超级电容器组先经 升降压后为铅酸蓄电池充电 , 有效增强系统弱光充电 能力 , 提高利用效率。本设计采用升降压模式 , 如图 5所示 , 超级电容器 组接 DC/DC 转换电路的输入端 , 设定输入范围为 4. 520V, 输出电压范围为 10. 814. 7V 。 Q 1由单片 机输 出 PWM 信 号 控 制 , Q 2由 U

20、C 3909的 5脚 经 MOS 管 驱 动 电 路 控 制 , 5脚 输 出 PWM 频 率 由 UC 3909的 18脚所接电阻 R SET 及 19管脚所接电容 C T 决定 , 公式如下 :f =1/(1. 2R SET C T (8图 5 DC /DC 转换电路UC 3909的工作频率设定为 200kH z 。同时在蓄 电池的充电回路中还串接电流采样电阻 R S , R S 两端的 电压信号作为 U C 3909芯片内部电流采样放大电路的 输入信号分别接于 CS -, CS +输入端 , 考虑到充电电流 较大 , 为减少 R S 的功耗同时防止 U C 3909芯片内部电 流采样放大

21、电路饱和 失真 , R S 应尽量小 , 本电路中取 55m 8。3. 4 超级电容器组在系统中的作用(1 超级电容具有使用寿命长 , 充放电限制少 , 功 率密度大 , 充电电池比能量高 , 可快速大电流充放电等 优点 , 是一种新型高效的储能器件。但由于其能量密 度仅为铅酸蓄电池的 1/5, 无法满足太阳能路灯照明 这种大功率电路系统大容量储能的要求。因此本系统 中采用蓄电池组与超级电容器组混合储能 , 结合超级 电容功率密度高及铅酸蓄电池能量密度高的特点 , 提 高储能系统性能。(2 本系统中采用 8个 2. 7V, 1200F 的超级电容 串联成额定电压 21. 6V, 容量为 150

22、F 的超级电容器 组 , 由于 12V 太阳能板在强光照射时其输出电压约为 20V, 采用 21. 6V 超级电容器组既可确保储能器件的 安全同时可以充分吸收太阳能板输出能量。(3 由于系统采用 MPPT 技术来实现最大功率输 出 , M OS 的高速导通与关断都会在输出端产生相应干 扰谐波 , 在太阳能板输出端及铅酸蓄电池间加上超级 电容器组可以有效抑制干扰谐波 , 保证铅酸蓄电池平 稳充放电 , 延长铅酸蓄电池使用寿命。#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 铅

23、酸蓄电池只能工作在 U T 至 U OC 电压范围内 (以 12V 铅酸蓄电池为例 , 只能工作在 10. 814. 7V 之间 。相比之下 , 由于超级电容器组可深度放电 , 其 工作电压可以设定在较低范围 , 如该系统中设定超级 电容器组的最低输出电压为 4. 5V 。因此在弱光状态 下 , 太阳能板的输出电压会高于超级电容器组端电压 , 确保输出电能被超级电容器组吸收储存 , 再由升降压 电路转换输出给铅酸蓄电池 , 即实现了弱光充电功能。 (5 由于铅酸蓄电池的充电条件极为严格 , 在蓄电 池的不同四个充电阶段下 , 其允许输入的电量不同 , 而 太阳能板的输出受外界环境影响变化很大。

24、当太阳能 板输出的电量大于铅酸蓄电池当前工作状态下可接受 的输入电量时 , 多余的部分能量将保存在超级电容器 组中 ; 反之 , 当太阳能板输出的电量小于铅酸蓄电池可 接受的输入电量时 , 超级电容器组内储存的电量可补 偿不足输出给铅酸蓄电池。这样既可以确保铅酸蓄电 池的平稳充电 , 延长使用寿命 , 也可以提 高系统利用 率。3. 5实验仿真如图 6所示为 protues 仿真器中当超级电容器组 端电压为 4. 5V 时 U C 39095脚输出脉冲及此时 DC/ DC 的输出波形。仿真显示 , 5脚输出频率为 200kH z, DC/DC 转 换 电 路的 输 出 较为 平 滑 , 且 电

25、 压幅 值 为 13. 6V, 属于设定输出电 压范围 , 与实测 效果基本相 符 , 说明系统可以实现弱光充电功能。4结 语本系统采用超级电容器组与铅酸蓄电池做太阳能 路灯照明系统混合储能元件 , 利用超级电容器组及升 降压电路实现弱光充电功能 , 有效提高太阳能板利用 率。同时利用 U C 3909实现铅酸蓄电池的四阶段充电 管理 , 延长了蓄电池使用寿命 , 提高系统稳定性及使用 效率。图 6UC 39095脚输出 U 5及 DC/DC 电路 U 0输出波形 参考文献 :1王新 生 , 游 新 霞 . 阀 控铅 酸 蓄电 池 与 U C 3909智 能 充 电 J. 通信电源技术 , 2008, 25(3 :59-65.2刘立强 , 岑长岸 . 弱光下光伏 充电器的 设计 J. 控制理 论 与应用 , 2008, 25(2 :0364-0366.3周志敏 , 周纪海 . 充电器电 路设计与应 用 M .北 京 :人 民 邮电出版社 , 2005.4周震宇 , 张军明 , 钱 照明 . 基 于 P IC 单 片机 的数字 式智 能 铅酸电池充电器 的设计 J.电 源技 术应