高效光伏充电器的研制

1、高效光伏充电器的研制引言在许多太阳能光伏利用系统中均采用蓄电池作为贮能元件，但太阳电池的输出特性与当 时日照、太阳电池表面温度以及负载有关，且具有非线性特性，故蓄电池在充电过程中其端 电压也在不断的变化。常规太阳电池充电电路如图1所示。图1（a）为目前常用的充电电路， 当太阳电池的开路电压高于蓄电池端电压时即对蓄电池充电，这种充电方式简单可靠，但存 在如下问题：太阳电池和蓄电池的电压必须严格匹配，例如采用最大功率点电压为16.5V 的太阳电池，则只能对12V规格的蓄电池充电，若对6V的蓄电池充电，则由于太阳电池的 工作点已远离最佳工作点，尽管其充电电流有所增大，但充电的功率损失很大。如图2所示

2、， 对蓄电池充电时太阳电池的输出功率相当于图中apco矩形的面积；当蓄电池的端电压低于 12V时（假设为9V），太阳电池的输出功率为bQdo矩形面积。显然，后者面积小于前者，即太阳电池未能输出最大功率。日此主题相关图片如下:5-IF日此主题相关图片如下:5-IF图1（b）所示电路采用斩波式恒压充电原理1】，将检测得到的蓄电池端电压，与给定的电 压比较，若有误差则调整功率管的占空比，以稳定蓄电池两端的电压。这种充电方式虽然有 了改进，但太阳电池的最大功率点受多种因素的影响，也难以保证太阳电池工作在最佳状态此主题相关图片如下:1控制策略本文提出一种新型的充电控制器设计，其电路如图3所示。工作原理：

3、将太阳电池的电 压U和电流I检测后相乘得到功率P，然后判断太阳电池此时的输出功率是否达到最大，若 不在最大功率点运行，则调整脉宽，调制输出占空比D，改变充电电流，再次进行实时采样， 并作出是否改变占空比的判断，通过这样寻优过程可保证太阳电池始终运行在最大功率点。 同时采用PWM调制方式，使充电电流成为脉冲电流，以减少蓄电池的极化，缩短充电时间。2硬件实现采用上述控制策略，关键在于乘法运算和寻优过程，采用微处理器可实现上述功能，其 硬件结构如图4所示。此主题相关图片如下:68HC05B6是专门用于工业检测、控制的微处理器，具有8位模数转换和脉宽调制输出功能， 可十分方便地计算功率3，电压工作范围

4、很宽，功耗很低。采用霍尔传感器检测太阳电池 的电压、电流及蓄电池电压，响应速度为微秒级。主电路斩波功率管采用大功率场效应管IRFP150,为提高充电效率，采用多只功率管并联运行，每只管子的额定参数为100V、41A。 续流二极管采用肖特基二极管MBR20100，该管具有通态压降低、开关速度高等特点。功率 管的驱动电路采用TLP250，它集光电隔离和快速驱动为一体，可简化电路设计.3算法及软件编制当太阳电池所受的日照和环境温度不变时，电池的电流和输出功率的函数关系如图5 所示，在太阳电池电流I等于Im时阵列的输出功率最大，若能得知P随I变化的确切函数关 系，则可利用目标函数的一阶或二阶偏导数进行

5、迭代，求出功率P的最大值，但由于太阳电 池的功率受多种因素的影响，在实际的控制系统中不可能得到确切的目标函数表达式，因此 必须寻此主题相关图片如下:0/ wi 北 /此主题相关图片如下：Pin)P M71IQ腿 CL 5r求一种直接的算法，本文采用黄金分割法。设阵列的短路电流为isc，最大功率点pm处 的电流为IM，则函数P(I)是区间0，ISC上的单峰函数。在实际的寻优过程中，I受占空 比D的制约，图6所示为函数P(D)随占空比D的变化关系。当D=0时，太阳电池开路， 输出功率为零；当D=1时，斩波功率管直通(类似于图1(a)的情形)。在寻优过程中我们 并不知道P随D变化的确切的数学表达式，

6、设a，b为迭代区间，对应于占空比D，其 最大区间为0，1，即取区间的初值为0，1，设D,和Db为迭代区间，E为误差值， x、y为迭代变量，根据黄金分割法得3x=Da+0. 382 (Db-Da)(1)y=Da+0. 618 (Db-Da)将上述x、y的值即占空比作为脉宽调制信号，驱动斩波管，通过电压、电流互感器检 测后得到功率七和Py，根据七和P,的值作出如下判断：若PxPy/则说明最大功率点所对应的占空比D在区间D, y内，令Db=y, y=x，x=D +。厂y，P =P若PxD -D，则最大功率点所对应的占空比为X 7b此主题相关图片如下：C：3)采用0.618方法，每迭代一次，其占空比寻

7、优范围将缩小到原来的0.618倍，因此具有较快 的收敛速度，实际运行时则将某一占空比下太阳电池阵列输出功率(由A/D转换得到的电 压和电流的乘积得到)与前次功率比较，再作出判断，寻优程序框图略。4实验结果采用上述控制策略研制的样机，其性能稳定、可靠，为验证其高效性，采用图7所示电 路对两种充电器进行性能比较。设定太阳电池阵列模拟器的输出功率为150W，开路电压4 IV，填充因子0.75,两个12V、38AH蓄电池串联，在不同辐照度下分别对蓄电池充电，充 电时间均为6h日照度(W/ m2)充电电量(AH)普通型高效型50016. 016. 970020. 721. 790027. 430. 8100031. 635. 4此主题相关图片如下:两种充电方式的充电电