簡(jiǎn)介：在此設計的太陽(yáng)能控制器性能穩定，具有過(guò)充過(guò)放保護和溫度補償。經(jīng)過(guò)測試，系統顯示出良好的控制效果，不僅提高了太陽(yáng)電池的工作效率，同時(shí)也保護了所使用的蓄電池，在利用綠色能源方面，具有一定的社會(huì )效益和廣泛的推廣價(jià)值。
隨著(zhù)能源危機和環(huán)境污染的加深，太陽(yáng)能的研究和利用受到廣泛的關(guān)注。太陽(yáng)能是人類(lèi)取之不盡用之不竭的可再生能源，也是清潔能源，不產(chǎn)生任何的環(huán)境污染，在太陽(yáng)能的有效利用中，太陽(yáng)能充電是近些年發(fā)展最快，最具活力的研究領(lǐng)域，是其中最受矚目的項目之一。太陽(yáng)能電池發(fā)電是基于“光生伏打效應”原理，將太陽(yáng)能轉化為電能，利用充電效應將太陽(yáng)輻射直接轉化為電能。它具有永久性、清潔性和靈活性大的優(yōu)點(diǎn)，是其他能源無(wú)法比擬的。
1 太陽(yáng)能控制器的設計
1．1 太陽(yáng)能電池的輸出特性
由它的輸出特性曲線(xiàn)(見(jiàn)圖1) 可知，太陽(yáng)能電池的伏安特性具有很強的非線(xiàn)性，即當日照強度改變時(shí)，其開(kāi)路電壓不會(huì )有太大的改變，但所產(chǎn)生的最大電流會(huì )有相當大的變化，所以其輸出功率與最大功率點(diǎn)會(huì )隨之改變。然而當光強度一定時(shí)，電池板輸出的電流一定，可以認為是恒流源。因此，必須研究和設計性能優(yōu)良的太陽(yáng)能發(fā)電控制器，才能更有效地利用太陽(yáng)能。
1．2 系統的硬件結構
太陽(yáng)能控制器硬件結構圖如圖2所示。該控制器以AVR mega 32為控制核心，外圍電路主要由蓄電池電壓及環(huán)境溫度檢測與充放電控制電路、電池板電壓檢測與分組切換電路、負載電流檢測與輸出控制電路、狀態(tài)顯示電路、串口數據上傳和鍵盤(pán)輸入電路構成。
電壓檢測電路用于識別光照的強度和獲取蓄電池端電壓。溫度檢測電路用于蓄電池充電溫度補償。該系統采用PWM方式驅動(dòng)充電電路，控制蓄電池的最優(yōu)充放電。電池板分組切換控制電路用于不同光強度和充電模式下電池板的切換，該系統實(shí)現對3組電池板陣列控制。負載電流檢測電路用于過(guò)流保護及負載功率檢測。狀態(tài)顯示電路用于系統狀態(tài)的顯示，包括電壓、負載狀況及充放電狀態(tài)的顯示。串行口上傳數據電路用于系統運行參數的上傳，實(shí)現遠程監控。鍵盤(pán)輸入電路用于充電模式設定及LCD背光開(kāi)啟。該控制器在有陽(yáng)光時(shí)接通電池板，向蓄電池充電；當夜晚或陰天陽(yáng)光不足時(shí)，蓄電池放電，以保證負載不停電。
1．3 AVR單片機
AVR微處理器是Atmel公司的8位嵌入式RISC處理器，具有高性能、高保密性、低功耗等優(yōu)點(diǎn)。程序存儲器和數據存儲器可獨立訪(fǎng)問(wèn)的哈佛結構，代碼執行效率高。系統采用的mega 32處理器包含有32 KB片內可編程FLASH程序存儲器；1 KB的E2PROM和2 KBRAM；同時(shí)片內集成了看門(mén)狗；8路10位ADC；3路可編程PWM輸出；具有在線(xiàn)系統編程功能，片內資源豐富，集成度高，使用方便。AVR mega 32可以很方便地實(shí)現外部輸入參數的設置，蓄電池及負載的管理，工作狀態(tài)的指示等。
1．4 蓄電池的充放電控制
閥控密封鉛酸蓄電池具有蓄能大，安全和密封性能好，壽命長(cháng)，免維護等優(yōu)點(diǎn)，在光伏系統中被大量使用。由閥控密封鉛酸蓄電池充放電特性圖(見(jiàn)圖3)可知，蓄電池充電過(guò)程有3個(gè)階段：初期(OA)電壓快速上升；中期(ABC)電壓緩慢上升，延續時(shí)間較長(cháng)；C點(diǎn)開(kāi)始為充電末期，電壓開(kāi)始上升；接近D點(diǎn)時(shí)，蓄電池中的水被電解，應立即停止充電，防止損毀電池。所以對蓄電池充電，通常采用的方法是在初期、中期快速充電，恢復蓄電池的容量；在充電末期采用小電流長(cháng)期補充電池因自放電而損失的電量。
蓄電池放電過(guò)程主要有三個(gè)階段：開(kāi)始(OE)階段電壓下降較快；中期(EFG)電壓緩慢下降且延續較長(cháng)的時(shí)間；在最后階段G點(diǎn)后，放電電壓急劇下降，應立即停止放電，否則將會(huì )給蓄電池照成不可逆轉的損壞。因此，如果對閥控密封鉛酸蓄電池充放電控制方法不合理，不僅充電效率降低，蓄電池的壽命也會(huì )大幅縮短，造成系統運行成本增加。在蓄電池的充放電過(guò)程中，除了設置合適的充放電閾值外，還需要對充放電閾值進(jìn)行適當的溫度補償，并進(jìn)行必要的過(guò)充電和過(guò)放電保護。
根據閥控密封鉛酸蓄電池的特點(diǎn)，控制器利用MCU的PWM功能對蓄電池進(jìn)行充電管理。若太陽(yáng)能電池正常充電時(shí)蓄電池開(kāi)路，控制器將關(guān)斷負載，以保證負載不被損傷；若在夜間或太陽(yáng)能電池不充電時(shí)蓄電池開(kāi)路，由于自身控制器得不到電力，不會(huì )有任何動(dòng)作。當充電電壓高于保護電壓(15 V)時(shí)，自動(dòng)關(guān)斷對蓄電池的充電；此后當電壓掉至維護電壓(13．2 V)時(shí)，蓄電池進(jìn)人浮充狀態(tài)，當低于維護電壓(13．2 V)后，浮充關(guān)閉，進(jìn)入均充狀態(tài)。當蓄電池電壓低于保護電壓(10．8 V)時(shí)，控制器自動(dòng)關(guān)閉負載，以保護蓄電池不受損壞。若出現過(guò)放，應先進(jìn)行提升充電，使蓄電池的電壓恢復到提升電壓后再保持一定時(shí)間，防止蓄電池出現硫化。通過(guò)PWM控制充電電路(智能三階段充電)，可使太陽(yáng)能電池板發(fā)揮最大功效，提高系統充電效率。
1．5 溫度補償
采用數字溫度傳感器DS18820檢測蓄電池環(huán)境溫度。對蓄電池的充電閾值電壓溫度補償系數取-4mV／(℃·單體)。補償后的電壓閾值可以用以下公式表示：Ve=V+(t-25)αn。其中，Ve為補償后的電壓閾值；V為25℃下的電壓閾值；t為蓄電泄環(huán)境溫度；α為溫度補償系數；n為串聯(lián)的單體數�？刂破鲗^(guò)放電壓閾值不做補償。
1．6 MOSFET驅動(dòng)電路
設計的控制器屬于串聯(lián)型，即控制充電的開(kāi)關(guān)是串聯(lián)在電池板與蓄電池之間的。串聯(lián)型控制器相對于并聯(lián)型控制器能夠更有效地利用太陽(yáng)能，減少系統的發(fā)熱量。設計中用MOSFET實(shí)現開(kāi)關(guān)。MOSFET是電壓控制單極性金屬氧化物半導體場(chǎng)效應晶體管，所需驅動(dòng)功率較小。而且MOSFET只有多數載流子參與導電，不存在少數載流子的復合時(shí)間，因而開(kāi)關(guān)頻率可以很高，特別適合作為PWM控制充電開(kāi)關(guān)。為此，設計中采用P溝道MOSFET。P溝道MOSFET的導通電壓Vth<0，由圖4可以實(shí)現MOSFET的驅動(dòng)。當Q2導通時(shí)，由于Q2的Vce很小，可以認為Q1的G極接地，Vgs<0，當Vin達到一定值時(shí)，Q1導通。
1．7 鍵盤(pán)電路
采用單按鍵的輸入方式，用于開(kāi)液晶背光和設定充電模式。初始化時(shí)將PC7輸出高電平，在程序運行過(guò)程中，通過(guò)定時(shí)中斷檢測是否有按鍵按下。當有按鍵按下時(shí)間不超過(guò)10 s時(shí)，則打開(kāi)液晶背光，10 s后背光關(guān)閉。當有按鍵按下時(shí)間超過(guò)10s時(shí)，進(jìn)入模式設定。在設定模式下，每按一次模式加1，按下按鍵10 s后或者10 s按鍵無(wú)任何動(dòng)作，模式保存到E2PROM中，退出設定模式。
1．8 狀態(tài)顯示和告警電路
控制器用LCD1602液晶顯示系統的狀態(tài)信息，包括蓄電池電壓、負載功率等。 LCD1602采用7線(xiàn)驅動(dòng)法，Vo接1 kΩ電阻到地，用于調節液晶顯示對比度。顯示數據和指令通過(guò)LCD1602的DB4～DB7寫(xiě)入，同時(shí)具備有聲光告警功能。當出現過(guò)壓或過(guò)放時(shí)，相應的發(fā)光二極管閃爍以及蜂鳴器告警，同時(shí)相應告警繼電器接通。
1．9 數據上傳
控制器用RS 232串行口將系統電壓、溫度、充放電狀態(tài)以及負載情況數據上傳，實(shí)現遠程監控。
2 控制器的軟件流程圖
主程序主要完成對I／O、定時(shí)器和PWM的初始化，同時(shí)根據電池板和蓄電池的狀態(tài)調用相應的充放電子程序�？刂破鲄档臏y量主要由中斷服務(wù)程序完成。
3 結 語(yǔ)
在此設計的太陽(yáng)能控制器性能穩定，具有過(guò)充過(guò)放保護和溫度補償。經(jīng)過(guò)測試，系統顯示出良好的控制效果，不僅提高了太陽(yáng)電池的工作效率，同時(shí)也保護了所使用的蓄電池，在利用綠色能源方面，具有一定的社會(huì )效益和廣泛的推廣價(jià)值。 |
