適合鉛酸蓄電池充電的太陽能充電器

摘 要：文章針對鉛酸蓄電池及太陽能電池輸出伏安特性曲線的特點，設計了基于單片機控制的太陽能充電器。 通過擾動觀察法，改變占空比，使充電器在符合馬斯曲線的條件下以最大功率工作，增強太陽能電池的轉換效率。

關鍵詞：馬斯曲線；擾動觀察法；最大功率

引言

目前在太陽能充電系統中主要使用的蓄電池有三種即開口鉛酸蓄電池（Vent Lead Acid Battery）、閥控鉛酸蓄電池（Valve Regulation Lead Acid Battery） 和鎳鈣、鎳氫、鎘鎳電池（Nickel- Calcium，Nickel- Hydrogen Battery）。在這三大類電池中，開口鉛酸蓄電池由于在其使用過程中存在水的易泄漏、易揮發、比容量低等缺點，而鎳鈣、鎳氫電池雖然容量大，但價格昂貴。閥控鉛酸蓄電池（VRLA）由于其價格低、容量大、自放電率低、結構緊湊、不存在鎘鎳電池的“記憶效應”、壽命長、免維護等優越性[1-3]，對于無人值守或缺少技術人員的偏遠地區使用特別適用，從而在太陽能充電系統中得到大量的應用[4]。

影響鉛酸蓄電池壽命的因素有很多，其中過充電程度就是其中的一種。在太陽能充電系統中過充電程度隨季節天氣的變化而變化，在冬天，蓄電池可能一直沒有充滿過，而在夏天，蓄電池卻可能經常是滿的。為了延長蓄電池的壽命，必須合理的控制蓄電池的充電過程。當蓄電池充電到一定程度時要停止充電或減小充電電流，防止不合理的過充電對蓄電池造成損害[5-8]。

1 鉛酸蓄電池的充電方法

普通的鉛酸蓄電池的充電方法很多，本文采用的是在符合智能充電[9]的條件下對蓄電池充電。美國科學家馬斯（J·A·Mas）對鉛酸蓄電池充放電過程中的析氣問題進行試驗，提出了以最小析氣率為前提的鉛酸蓄電池充電電流曲線，如圖1所示。

歸納為馬斯三定律。主要論點是：以最小出氣量為前提的充電電流是一條指數曲線，在充電過程中的任一時刻t，可接受的最大充電電流ia可由式（1）表示，即：

i=I0×e-at （1）

式中I0：充電初始最大電流；？琢：充電接受率。

根據此式，我們可以得出的結論是：蓄電池是按照其充電接受率而接受充電的，如果低于a值的充電，充電時間將會延長，但是超過a值的充電，充電時間不但不會縮短，反而會使電池氣壓和溫升有所增加。因此，蓄電池只有在獲得較大充電接受率同時抑制電池析氣現象產生的條件下，才可以用較短的時間使電池充滿。

知道了蓄電池的可接受充電電流曲線，按照這條曲線采用智能控制的方法使蓄電池的充電電流始終保持在這條曲線所對應的充電電流附近，達到了蓄電池快速充電的目的，同時對蓄電池影響也不大，這種控制方法統稱為智能充電控制。然而在太陽能充電系統中此法不合適，因為太陽能充電系統中充電電源本身即太陽能并不是真正的無限電源，這個電源是有限的；同時在對蓄電池充電的還必須考慮電源電流是否合適。因此，在太陽能充電系統中，對蓄電池的充電沒有固定的規律，充電的情形是隨光照強度和溫度的改變而變化的。

2 太陽能電池最大功率跟蹤的方法

2.1 最大功率跟蹤的基本原理

在太陽能充電器中，太陽能電池是最基本的環節，若要提高整個系統的效率必須要提高太陽能電池的轉換效率。圖2是用圖解法得出太陽能電池的工作點的示意圖。在圖2中，直線表示負載電阻的I/V特性，曲線表示太陽能電池的電流-電壓即（I/V）曲線，二者的交點即為太陽能電池的工作點，工作點的電壓和電流既要符合太陽能電池的I/V特性又符合負載本身的I/V特性，在本系統中，太陽能電池的工作點的電壓和電流既要符合太陽能電池的I/V特性又要符合蓄電池馬斯曲線的特性。因為在給定的溫度和光照條件下，太陽能電池的輸出功率存在著最大點，所以太陽能電池能否工作在最大功率點取決于其所帶的負載大小。因此，如果交點不在最大功率點上，那么太陽能電池和負載就處于失配狀態，太陽能電池所產生的電能就沒有被充分利用[10]。

我們知道，外界的因素，通常是人為無法改變的，溫度和光照在一天中是變化的，太陽能電池的輸出特性也隨之變化，要使太陽能電池始終能夠輸出最大功率，必須適當的改變其所接負載的大小。本論文利用控制器通過控制開關管的導通狀態來實現最大功率跟蹤的，太陽能電池所接的等效負載是開關管占空比和DC/DC變換器與其所帶負載的函數，通過調節開關管的占空比就可以達到改變太陽能電池負載大小的目的，從而實現最大功率跟蹤。

2.2 擾動觀察法

何尋找最大功率很重要，本論文采用擾動觀察法。

擾動觀察法主要根據太陽能電池的P/V特性，通過擾動端電壓來尋找MPPT（ Maximum Power Point Tracking），其原理是周期性地擾動太陽能電池的工作電壓值（V+？駐V），再比較其擾動前后的功率變化，若輸出功率值增加，則表示擾動方向正確，可朝同一方向（+？駐V）擾動；若輸出功率值減小，則往相反（-？駐V）方向擾動。通過不斷擾動使太陽能電池輸出功率趨于最大。此時應有：

（2）

此種方法的最大優點是結構簡單，被測參數少。無需知道太陽電池的特性曲線，在太陽能光伏系統最大功率點跟蹤控制中常采用此方法。圖3是擾動觀察法流程圖。

3 本系統的充電方法

在本系統中，蓄電池總的充電策略是動態跟蹤蓄電池可接受的充電電流，如果蓄電池的充電電流符合或者通過調整占空比能使其符合當前馬斯曲線所對應的最佳充電電流即最大充電電流時，便可以此電流對蓄電池充電；否則就要在符合馬斯曲線前提下以最大功率對蓄電池充電。這樣就保證蓄電池幾乎在無氣體析出的條件下充電，起到保護蓄電池的作用。

考慮到最大功率處所對應的電壓有時會低于蓄電池的充電電壓，因此，需要加入DC/DC升壓變換器，由于本系統是對24V鉛酸蓄電池充電，因此所選用的DC/DC變換器的輸出電壓應大于24V鉛酸蓄電池所的電壓，所以，本設計選用MAX668芯片[11]。

圖4是太陽能充電器的結構圖，其中，前級AD采樣模塊采集的太陽能電池輸出的電流和電壓值；后級AD采樣模塊采集的是鉛酸蓄電池的充電電流和電壓值。

4 實驗及結果

本實驗的太陽能電池在標準測試條件下的額定峰值功率為36W，開路電壓為21.5V，經實驗，得到直接對蓄電池充電和采用MPPT算法充電在不同條件下測得的充電電流，實驗表明，采用了MPPT充電控制器以后，在相同的外界條件下，太陽能電池的充電功率比直接充電有了明顯的提高。

表1 對比實驗結果

參考文獻

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[3]雷驚雷，張占軍，吳立人等.電動車用電源及其發展戰略[J].電源技術.Vol.25 No.1 2001，（1）：40-59

[4]Stefano Barsali and Massimo Ceraolo. Dynamical Models of Lead-Acid Batteries： Implementation Issues. IEEE TRANSACTIONS ON ENERGY CONVERSION， VOL. 17，NO.1， MARCH2002： 16～23

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[6]朱松然.鉛酸蓄電池技術[M]. 北京： 機械工業出版社.2002

[7]朱松然.蓄電池手冊[M]. 北京： 人民郵電出版社. 1997

[8]羅光毅.蓄電池智能管理系統[D].浙江：浙江大學碩士學位論文. 2003：23-24

[9]徐曼珍.新型蓄電池原理與應用[M].北京：人民郵電出版社.2005.1

[10]曹旭陽.獨立光伏路燈系統MPPT控制器設計[D].青島：中國海洋大學碩士學位論文.2006：9-10

[11]魏智.PWM控制器MAX668及其典型應用[J].Maxim公司北京辦事處

作者簡介：韓文穎（1983-），女，碩士，內蒙古工業大學工程訓練中心教師，主要從事檢測技術與自動化裝置方面的研究。

趙明君（1982-），男，碩士，長治供電分公司繼電保護所，主要從事柔性交直流輸電技術。

寇志偉（1984-），男，碩士，內蒙古工業大學工程訓練中心教師，主要從事電能研究方向。

蘇曦（1982-）男，碩士，內蒙古工業大學工程訓練中心教師，主要從事電能研究方向。