太陽能能量控制器的研究與設計

成鳳敏

(唐山學院信息工程系，河北 唐山 063000)

太陽能能量控制器的研究與設計

成鳳敏

(唐山學院信息工程系，河北 唐山 063000)

針對太陽能利用率低、蓄電池使用壽命短和電路不穩定等問題，采用電導增量算法，調節PWM控制信號的占空比，實現對太陽能電池能量輸出的最大功率點跟蹤控制。考慮到對蓄電池容量的準確檢測,且避免過充和過放情況的發生，在蓄電池充、放電過程中，采取斷開回路和連接負載的方法。經測試，系統可以對太陽能電池能量的輸出和蓄電池的充放電過程進行有效控制，并提高太陽能電池的利用效率，延長蓄電池的使用壽命。

太陽能控制器 電導增量 PWM 充放電 蓄電池

0 引言

太陽能作為一種新興的綠色能源，以其永不枯竭、無污染等優點，受到人們的青睞并得到迅速的推廣應用[1]。全球市場研究機構TrendForce旗下綠能事業處EnergyTrend表示，2013年全球太陽能市場需求逐季疊高，并網量31.5 GW,如年初所預測，其中歐(含中東與非洲)、美、亞的需求量各占比為32%、15%、53%。2014年市場需求將延續2013年下半年態勢，全年市場需求量42 GW左右，較2013年增長17%。中國、日本、美國依舊是前三大市場，合計占比達全球約50%。

早期的太陽能能量控制器只是簡單地控制蓄電池的充放電，一定程度上降低了系統成本，但在提高太陽能使用效率、減緩蓄電池使用壽命上并沒有有效實現管理控制，而且對太陽能電池的輸出采用恒壓控制方法，使得太陽能電池在不同光照強度下的最大功率輸出點總是在某一恒定電壓值附近徘徊[2-3]。針對此類缺陷，為了能夠持續而又穩定地讓太陽能電池轉換成太陽能能量，并且科學合理地對蓄電池進行充放電控制，設計一種高效的太陽能能量控制器是十分符合客觀現實需要的。

1 方案設計

系統包括太陽能電池板、蓄電池、能量控制器和半導體照明負載四大部分。整體框圖如圖1所示。

圖1 系統框圖

通過太陽能電池板檢測電路采集電池板兩端的電壓、電流，充電控制電路控制電池板對蓄電池的充電過程。為使太陽能電池板高效輸出，且保護充電時不會使蓄電池過充，增加了太陽能充電保護模塊。

蓄電池在充電、放電時，兩端的電壓不斷地變化，通過蓄電池電壓采集電路準確地檢測出其在任何時刻的端電壓，充放電控制電路控制充放電過程，防止蓄電池過放或過充現象的發生[4]。為實現充電時斷開回路檢測蓄電池電壓和放電時連接負載檢測蓄電池電壓，在充放電控制電路中使用2路繼電器。

顯示電路直觀地了解太陽能電池輸出電流、電壓，以及蓄電池輸出電壓值和系統所處的工作狀態。正常工作時采用自動控制模式，考慮到環境因素等一些特殊情況，增加了人工控制模式，可實現強制放電和強制充電。

2 硬件設計

根據系統功能，選擇如下硬件并進行設計。

① 能量控制器：控制部分是整個系統的核心，采用STC12C5608AD芯片為控制器件。STC12C5608AD是STC生產的單時鐘/機器周期(1T)的單片機，是高速、低功耗和抗干擾超強的新一代8051單片機，其指令代碼與傳統的8051單片機的指令代碼完全兼容，但速度比傳統8051單片機的速度要快8～12倍[5]。

② 太陽能電池板：它是太陽能發電系統的核心模塊。通過吸收太陽光，將太陽輻射能通過光電效應或光化學效應直接或間接地轉換成電能，存儲在蓄電池中，或為負載供電，推動其工作[6]。系統選擇內置穩壓電路的6 V多晶硅太陽能電池，穩壓后輸出電壓為5 V。

③ 蓄電池：系統采用18650鋰蓄電池。標稱(開路)電壓為3.7 V，工作電壓范圍為2.75～4.2 V，標稱容量為4 000 mAh，可以反復充電1 000次。充電過程采用恒流轉恒壓充電模式。充電開始為恒流階段，電池的電壓較低，兩端電壓值呈現快速增長趨勢。在此過程中，充電電流穩定不變。隨著充電的繼續進行，電池電壓逐漸上升到4.2 V，此時轉入恒壓充電，充電電流逐漸減小。當電流下降到某一范圍，進入涓流充電(維護充電)階段。蓄電池放電開始階段，兩端電壓值呈現快速下降的趨勢，放電中期下降趨勢平緩，放電末期，兩端電壓下降的速度加快，直至放電終止電壓。

④ 2路繼電器：一路控制太陽能為蓄電池充電，另一路控制蓄電池放電為負載供電。系統工作時，接收控制信號，控制系統在充電模式和放電模式之間切換，起到了開關與傳輸信號的作用。

⑤ 霍爾電流傳感器：采用電流傳感器芯片ACS712ELC-05B，5 V電源供電，可測量±5 A電流，對應模擬量輸出185 mV/A，輸出的電壓信號介于0.5～4.5 V之間，沒有檢測電流通過時，輸出的電壓是VCC/2[7]。電流輸入端連接太陽能電池板正極，電流輸出端連接鋰蓄電池正極。當電路處于充電狀態時，太陽能電池板的輸出電流經過銅箔，一方面從電流輸出端流出給鋰電池充電，另一方面由霍爾效應計算出太陽能電壓值，經電壓輸出端送入STC12C5608AD控制中心。同理，當電路處于放電狀態時，采集蓄電池電流信號，轉變為電壓信號送入STC12C5608AD控制中心，并且通過電流輸入端為負載供電。

⑥ 液晶顯示屏：采用LCD1602，能夠同時顯示16列2行(32個字符)的字符型液晶。充電時，LCD1602會將檢測到的太陽能電池板輸出電壓、電流值顯示在第一行；放電時顯示蓄電池輸出電壓值。按鍵控制模式會在第二行中顯示。

3 最大功率點跟蹤算法

為了提高太陽能能量控制系統的效率，實現太陽能電池的最大功率輸出，需要對太陽能電池的最大功率點進行跟蹤，即最大功率點跟蹤(maximum power point tracking,MPPT)的具體實現是系統不直接檢測太陽輻射強度和太陽能電池溫度，而是檢測太陽能電池的輸出電壓和輸出電流，計算出太陽能電池的最大功率點。設計選用電導增量法，以實現太陽能電池的最大功率點跟蹤控制[8-9]。

電導增量法是通過對太陽能電池輸出的電壓和電流進行采樣，通過計算，比較光伏陣列的瞬間電導與電導增量的大小，通過單片機控制部分來改變控制信號。電導增量法步長恒定，避免了過小步長引起工作點與最大功率點距離遠而花費大量時間去計算，也避免了過大步長造成電壓振蕩加劇和功率損失，降低跟蹤的精確度。所以電導增量法具有控制精確、響應速度快的優點，能夠持續穩定地跟蹤太陽能電池輸出的最大功率點。電導增量控制法的理論如下。

通過采集太陽能電池輸出的電壓值Usolar和電流值Isolar，計算太陽能電池的輸出功率：

Psolar=UsolarIsolar

(1)

兩邊分別對V求導：

(2)

(3)

如果電導增量小于瞬時電導，處于最大功率點左側時，太陽能電池的輸出電壓就會小于最大功率點處的電壓。這時要增加太陽能電池的輸出電壓值。如果電導增量大于瞬時電導，處于最大功率點右側時，太陽能電池的輸出電壓就會大于最大功率點處的電壓，這時要減小太陽能電池的輸出電壓；如果電導增量等于瞬時電導，正好在最大功率點處工作，那么就要使太陽能電池的輸出電壓值保持不變，此時的太陽能電池的輸出功率最大。因此電導增量控制算法就是不斷地周期性地采集太陽能電池的輸出電壓和電流，然后利用以上公式對采集的電流電壓值進行計算，最后找出電導增量等于瞬時電導處的電壓值，即為最大功率點[10]。

4 系統測試

4.1 放電測試

鋰蓄電池放電過程數據記錄如表1所示。

表1 鋰蓄電池放電過程數據記錄

夜間，蓄電池給LED燈正常供電。由表1可知，鋰蓄電池能夠提供6個多小時的供電量。晴天，鋰蓄電池白天充電后，晚上仍能提供電能使LED燈工作。由于鋰蓄電池的端電壓與容量存在比例關系，根據鋰電池端電壓值可判斷其剩余容量。

4.2 放電測試

鋰蓄電池充電過程數據記錄如表2所示。由表2中鋰蓄電池充電過程各項參數的變化可以看出，充電起始階段，鋰蓄電池充電電流大致持平，端電壓上升速度較快。充電后期，電流下降，端電壓上升的速度變慢，直至幾乎平衡，此時認為蓄電池已基本充滿。整個充電過程符合預先設計的充放電控制策略。

表2 鋰蓄電池充電過程數據記錄

5 結束語

系統以STC12C5608AD單片機為控制核心，2路繼電器和霍爾電流傳感器為信息采集體，鋰電池充電保護板為充電保護模塊，通過LCD1602液晶顯示太陽能電池電流、電壓和蓄電池的電壓和按鍵控制模式，對太陽能電池板的放電進行實時有效的控制。另外系統還設置了按鍵控制模塊，增加了人工控制功能，可以實現手動的強制充電和放電功能。經過測試，系統解決了傳統太陽能利用率低、蓄電池使用壽命短和電路不穩定的問題，達到了設計要求。

[1] 王國義.光伏照明系統智能控制器的研究[D].蕪湖：安徽工程大學,2012.

[2] 高云.太陽能充電控制器研究[D].北京：北京交通大學,2009.

[3] 吳理博,趙爭鳴,劉建政.用于太陽能照明系統的智能控制器[J].清華大學學報：自然科學版,2003,43(9)：1195-1198.

[4] 張天時.太陽能照明能量管理PSoC設計[D].長春：長春理工大學,2013.

[5] 阿占文,馮清香.單片機多任務操作的多功能采集卡設計[J].自動化儀表,2014,35(1)：84-87.

[6] 馬勝紅.光伏極板組件及光伏方陣[J].大眾用電,2006(3)：39-40.

[7] 陳維,沈輝,鄧幼俊.太陽能光伏應用中的儲能系統研究[J].蓄電池,2006(8):20-25.

[8] Dong Y,Ju N,Dong S.An improved MPPT converter using current compensation method for small sealed PV-applications[C]∥Applied Power Electronics Conference and Exposition.APEC’03 Eighteenth Annual EEE,Florida,2003(11):11-16.

[9] Jancarle L,Fernando L.Maximum power point tracker for PV systems[C]∥World Climate & Energy Event,Rio de Janeiro,2003(8):11-16.

[10]姜紅興.太陽能照明系統控制器設計與蓄電池健康狀況檢測[D].濟南：山東大學,2011.

Research and Design of the Solar Energy Controller

To solve the problems existing in solar energy utilization, such as low utilization rate, short service life of the storage battery, and instability of the circuits, etc., the maximum power point tracking control for solar energy output is implemented by adopting conductance increment algorithm to adjust the duty ratio of PWM control signal. Considering accurately detecting the capacity of the storage battery, and to avoid occurrence of overcharge and over-discharge of the battery, the method of discount the loop and connect the load is adopted. The test shows that the system effectively controls the solar energy output and charging and discharging of battery, and enhances the utilization rate of battery, thus prolongs the service life of battery.

Solar energy controller Conductance increment PWM Charge and discharge Storage battery

河北省教育廳青年基金資助項目(編號：QN20132019)。

TP273+.1

A

10.16086/j.cnki.issn1000-0380.201505017

修改稿收到日期：2014-08-29。

作者成鳳敏(1983-)，女，2008年畢業于南京航空航天大學測試計量技術及儀器專業，獲碩士學位，講師；主要從事計算機測控技術、儀器儀表技術的研究。