太陽(yáng)能車(chē)棚電池充電設(shè)計(jì)

高巧梅 劉軍 孔俊麗 王曉云 劉澤方

中國(guó)礦業(yè)大學(xué)（北京）機(jī)電與信息工程學(xué)院

太陽(yáng)能車(chē)棚電池充電設(shè)計(jì)

高巧梅 劉軍 孔俊麗 王曉云 劉澤方

中國(guó)礦業(yè)大學(xué)（北京）機(jī)電與信息工程學(xué)院

太陽(yáng)能作為一種可再生能源，具有潔凈無(wú)污染，可持續(xù)利用的優(yōu)點(diǎn)，而光伏發(fā)電成為其中重要的研究領(lǐng)域。本文對(duì)太陽(yáng)能校園車(chē)棚進(jìn)行了探討，當(dāng)光照強(qiáng)度達(dá)到一定強(qiáng)度時(shí)，太陽(yáng)能光伏陣列輸出功率，把電能儲(chǔ)存到蓄電池中，給直流負(fù)載供電或經(jīng)過(guò)逆變器給交流負(fù)載供電，當(dāng)太陽(yáng)能光照強(qiáng)度較弱，切入市電直接進(jìn)行供電，以實(shí)現(xiàn)給自行車(chē)充電，報(bào)警等功能。主要對(duì)本文重點(diǎn)對(duì)buck電路實(shí)現(xiàn)最大功率跟蹤控制，完成蓄電池的充電的過(guò)程進(jìn)行了設(shè)計(jì)。本太陽(yáng)能綠色車(chē)棚充分地利用了自給自足的特性，該項(xiàng)目的建設(shè)有利于推動(dòng)綠色校園的建設(shè)和環(huán)保理念的推廣，同時(shí)符合國(guó)家節(jié)約能源，大力發(fā)展可再生能源的政策。

太陽(yáng)能；光伏發(fā)電；逆變器；最大功率跟蹤

引言

當(dāng)前世界能源短缺和環(huán)境污染問(wèn)題日益嚴(yán)重，人們對(duì)環(huán)境保護(hù)問(wèn)題的重視程度也在不斷的提高，人們期望改變現(xiàn)有的能源結(jié)構(gòu)，尋找新的替代能源。現(xiàn)在利用新能源[1-2]已是當(dāng)前迫切的任務(wù)了，由于極端氣候的出現(xiàn)，降低碳排放量也迫使人們更加努力的尋找和開(kāi)發(fā)新能源。太陽(yáng)能資源[3-4]是最豐富的可再生能源之一，是國(guó)際上公認(rèn)的理想替代能源。太陽(yáng)能以其獨(dú)有的無(wú)污染、可再生利用、取之不盡、用之不竭的優(yōu)點(diǎn)成為人類(lèi)利用的重點(diǎn)。越來(lái)越多的國(guó)家開(kāi)始實(shí)行“陽(yáng)光計(jì)劃”，開(kāi)發(fā)利用太陽(yáng)能資源進(jìn)行發(fā)電發(fā)熱。

1.工程基本情況

太陽(yáng)能車(chē)棚可設(shè)置在校園內(nèi)，利用光伏發(fā)電系統(tǒng)[5-10]實(shí)現(xiàn)了為車(chē)棚提供照明、監(jiān)控等功能。該設(shè)計(jì)綜合考慮了經(jīng)濟(jì)性和校園效益等因素，節(jié)約能源，沒(méi)有污染物排放，不消耗任何燃料，綠色環(huán)保，符合當(dāng)前的綠色發(fā)展?fàn)顩r，積極響應(yīng)了國(guó)家節(jié)能減排的號(hào)召，符合國(guó)家推進(jìn)新能源產(chǎn)業(yè)的政策，爭(zhēng)取為加快推進(jìn)太陽(yáng)能光電技術(shù)在城市建筑領(lǐng)域的應(yīng)用做出貢獻(xiàn)。

2.太陽(yáng)能校園車(chē)棚方案設(shè)計(jì)

本項(xiàng)目光伏發(fā)電依照：1)本發(fā)電系統(tǒng)是綠色車(chē)棚光伏發(fā)電系統(tǒng)；2)本光伏發(fā)電系統(tǒng)僅用于給車(chē)棚系統(tǒng)供電，所發(fā)電力不用于并網(wǎng)送電；3)設(shè)計(jì)應(yīng)以“系統(tǒng)安全可靠，投資省，發(fā)電潔凈無(wú)污染”為原則進(jìn)行設(shè)計(jì)。該光伏發(fā)電系統(tǒng)主要由太陽(yáng)能光伏電池板(組件)，逆變器，控制器，蓄電池等設(shè)備組成，其中核心部件是太陽(yáng)能光伏電池板(組件)，逆變器。車(chē)棚引入市電供電系統(tǒng)，遇到陰天等太陽(yáng)能光照強(qiáng)度較弱的天氣情況時(shí)，可直接利用市電進(jìn)行充電用電。其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1：

圖1 光伏發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

3.蓄電池，電池板及逆變器的選擇

太陽(yáng)能電池發(fā)電對(duì)所用蓄電池組的基本要求是：a.自放電率低；b.使用壽命長(zhǎng)；c.深放電能力強(qiáng)；d.充電效率高；e.少維護(hù)或免維護(hù)；f.工作溫度范圍寬；g.價(jià)格低廉。其作用是貯存太陽(yáng)能電池方陣受光照時(shí)發(fā)出的電能并可隨時(shí)向負(fù)載供電。所以選用鉛酸電池可以滿(mǎn)足要求，根據(jù)實(shí)際情況調(diào)查，選用兩組12V，150AH蓄電池共10個(gè)，即1500AH。則電池板選擇四塊12V/520W電池板共計(jì)：1040W。

為了實(shí)現(xiàn)給電動(dòng)自行車(chē)充電，需要將太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)所發(fā)出的直流電能轉(zhuǎn)換成交流電能，因此需要使用 DC- AC 逆變器。由于太陽(yáng)能電池和蓄電池是直流電源，而負(fù)載有交流負(fù)載，則逆變器是必不可少的。逆變器按輸出波形可分為方波逆變器和正弦波逆變器。方波逆變器電路簡(jiǎn)單，造價(jià)低，但諧波分量大，一般用于幾百瓦以下和對(duì)諧波要求不高的系統(tǒng)。正弦波逆變器成本高，但可以適用于各種負(fù)載。故本設(shè)計(jì)中選擇正弦波逆變器。

4 DC/DC變換給蓄電池充電設(shè)計(jì)

4.1 主電路的設(shè)計(jì)

主電路采用BUCK電路，其輸入電壓為48V，輸出電壓為 12V，如圖2所示。

圖2 主電路圖

從圖中可以看到，PWM波的高低電平直接控制三極管Q1的通斷，當(dāng)PWM波處于高電平時(shí)，由于三極管的基極電壓高于發(fā)射極電壓，在電源VCC作用下，三極管處于導(dǎo)通工作狀態(tài)，致使功率場(chǎng)效應(yīng)管Q2的柵極接地，低于源極電壓，Q2處于導(dǎo)通狀態(tài)，電源電壓加到蓄電池兩端，開(kāi)始充電；而當(dāng)PWM波處于低電平時(shí)，由于三極管的基極端為低電平，三極管處于截止?fàn)顟B(tài)，致使功率場(chǎng)效應(yīng)管Q2的柵極直接與電源相連，Q2處于斷開(kāi)狀態(tài)，蓄電池兩端充電電壓消失，實(shí)現(xiàn)間斷充電。通過(guò)Q2的導(dǎo)通和關(guān)斷實(shí)現(xiàn)電壓的間歇通斷，后接電感使得充電電流處于逐級(jí)遞減的狀態(tài)。另外由于電源的頻繁通斷，為了減少干擾，在后面需要濾波電路和保護(hù)電路。

4.2 主控單元系統(tǒng)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)整體框圖如圖3。

圖3 系統(tǒng)整體框圖

系統(tǒng)使用Atmega 8單片機(jī)，是一種高性能，低功耗的8位AVR微處理器?？刹捎酶哌_(dá)16 MHz的晶振頻率，3通道PWM，通過(guò)輸出比較單元，4種工作模式可滿(mǎn)足不同場(chǎng)合下PWM波形的產(chǎn)生。同時(shí)，8路10位ADC轉(zhuǎn)換，能很好地用于充電過(guò)程中充電電流和電壓的監(jiān)控，實(shí)時(shí)反饋并改變充電電壓的大小和通斷，達(dá)到很好的控制效果。

PWM波形的控制方式采用快速PWM模式，產(chǎn)生高頻PWM波形。這種模式下，PWM波形產(chǎn)生使用單邊斜坡工作方式，相比其他模式工作頻率提高一倍。在充電的過(guò)程中還需要對(duì)蓄電池的實(shí)時(shí)電壓和電流進(jìn)行采集，將采集數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)ADC轉(zhuǎn)換送入單片機(jī)中，實(shí)現(xiàn)反饋控制，通過(guò)實(shí)時(shí)電壓電流與標(biāo)準(zhǔn)電壓電流的比較，不斷調(diào)整PWM波形。采集電路見(jiàn)圖4。

圖4 充電電流采樣電路

圖中R1為標(biāo)準(zhǔn)電阻，通過(guò)差分放大電路，將充電電流大小傳輸回MCU。差分放大電路有很強(qiáng)的共模抑制能力和較小的輸出漂移電壓，能精確測(cè)量R1兩端電壓值的大小，從而得到充電電流的大小。

4.3 最大功率跟蹤控制

最大功率點(diǎn)跟蹤的目的是將光伏電池組件產(chǎn)生的最大功率及時(shí)提供給負(fù)載，使太陽(yáng)能系統(tǒng)的能量利用效率盡可能提高。在實(shí)際應(yīng)用中，通過(guò)對(duì)當(dāng)前光伏陣列的輸出電流和電壓的檢測(cè)，得到當(dāng)前陣列輸出功率，再與前一時(shí)刻光伏陣列的輸出功率相比較，向功率增大的方向不間斷的檢測(cè)，便可使光伏陣列動(dòng)態(tài)地工作在最大功率點(diǎn)上，控制框圖如圖5所示。

圖5 MPPT控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

4.4 蓄電池充電方式設(shè)計(jì)

在太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)中，綜合考慮日照強(qiáng)度以及環(huán)境溫度對(duì)光伏系統(tǒng)充電電流的影響、鉛酸蓄電池性能以及系統(tǒng)成本等因素，本論文采用四階段充電法充電，由于較好地使用涓流及浮充充電模式，從而使蓄電池的容量達(dá)到額定值，延長(zhǎng)其壽命。

4階段充電(圖6)狀態(tài)如下：

（1）涓流充電

涓流充電是為了防止充電時(shí)大電流灌入蓄電池，超過(guò)蓄電池初始充電電流值，造成蓄電池的損壞。涓流充電原理是：充電時(shí)設(shè)定一個(gè)充電使能電壓UT，當(dāng)蓄電池的端電壓低于UT時(shí)，光伏控制器將提供一個(gè)很小的電流IT對(duì)蓄電池進(jìn)行充電。隨著涓流充電狀態(tài)的進(jìn)行，鉛酸蓄電池的端電壓會(huì)逐漸升高，如果蓄電池端電壓值達(dá)到UT，充電器將進(jìn)入第二個(gè)充電階段，即恒流充電狀態(tài)。如果充電之初，蓄電池的端電壓已經(jīng)高于UT，充電器將直接進(jìn)入恒流充電階段，不再經(jīng)過(guò)涓流充電階段。

（2）恒流充電

恒流充電階段也是快速充電階段，在恒流充電期間，充電器提供一個(gè)恒定的電流IBULK給蓄電池充電，此時(shí)蓄電池容量快速增加，容量變化的同時(shí)，蓄電池的電壓將會(huì)不斷上升，如果蓄電池端電壓達(dá)到設(shè)定的過(guò)壓充電電壓UOC，蓄電池充電就轉(zhuǎn)入過(guò)壓充電狀態(tài)。

（3）恒壓充電

恒壓充電階段期間充電電壓UOC不變，并稍高于蓄電池的額定電壓，這樣可以使蓄電池容量最后達(dá)到飽和，此時(shí)充電電流逐漸減小，如果充電電流減小到過(guò)充終止電流IOCT，表明蓄電池已被充滿(mǎn)，充電模式已經(jīng)轉(zhuǎn)入浮充狀態(tài)。

（4）浮充充電

浮充電壓略低于UOC，浮充充電就是提供一個(gè)恒定的帶有溫度補(bǔ)償?shù)母〕潆妷篣F 給蓄電池充電，來(lái)保持蓄電池容量不變，浮充階段會(huì)一直提供很小的浮充電流，用以彌補(bǔ)蓄電池由于自身放電造成的能量損失。此后，如果蓄電池端電壓下降到UOC的 90%，充電器就會(huì)自動(dòng)進(jìn)入恒充或涓充狀態(tài)。

圖6 四階段充電圖

5 結(jié)語(yǔ)

太陽(yáng)能是一種極為豐富并可再生的清潔綠色能源。太陽(yáng)能光伏發(fā)電是最有應(yīng)用前景的太陽(yáng)能利用方式。本文通過(guò)軟件方式實(shí)現(xiàn)了 PWM方式的蓄電池充電， 各個(gè)功能部件均由常見(jiàn)的元件構(gòu)成， 測(cè)試環(huán)境容易構(gòu)建。該項(xiàng)目的建設(shè)有利于推動(dòng)綠色校園的建設(shè)和環(huán)保理念的推廣，同時(shí)符合國(guó)家節(jié)約能源，大力發(fā)展可再生能源的政策。

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10.3969/j.issn.1001-8972.2012.08.086