電動自行車光伏快速善充智能控制系統(tǒng)

湯定德，周 青

(江西科技學(xué)院，江西南昌330098)

電動自行車光伏快速善充智能控制系統(tǒng)

湯定德，周 青

(江西科技學(xué)院，江西南昌330098)

論述了快速和善充對光伏充電器的重要性，分析了鉛酸蓄電池充放電過程的化學(xué)反應(yīng)機(jī)理以及光伏電池的輸出特性，提出了一種由單片機(jī)控制并始終處于脈沖式充電方式下的光伏智能控制系統(tǒng)，其能在晴朗的白天充分利用陽光，從而實(shí)現(xiàn)快速充電；也能有效避免蓄電池的極化和硫化，從而延長蓄電池使用壽命，減小更換蓄電池的成本。仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該充電系統(tǒng)可智能地實(shí)現(xiàn)光伏快充和善充。

光伏充電器；單片機(jī)；快速充電；使用壽命

現(xiàn)在，絕大多數(shù)電動自行車都采用鉛酸蓄電池(48 V)，主要因其價格低、含污染成分少、可回收性好等特點(diǎn)而備受青睞。隨著新能源的不斷研究和開發(fā)，充分利用太陽能進(jìn)行充電也備受關(guān)注，研究一款適用的光伏充電器也自然成為當(dāng)下一大熱點(diǎn)。

眾所周知，鉛酸蓄電池并非真的能蓄電，它只是一個既能在充電過程中把電能轉(zhuǎn)換成化學(xué)能，又能在放電過程中把化學(xué)能轉(zhuǎn)變成電能的變換器。在充放電過程中，鉛酸蓄電池的陽極(PbO2)、陰極(Pb)及電解液(稀H2SO4)之間發(fā)生如下化學(xué)反應(yīng)[1]：

由式(1)可知，當(dāng)蓄電池進(jìn)行放電時，主要生成一種附著在內(nèi)部電極表面的白色結(jié)晶體——硫酸鉛，若此物在充電后依舊不能剝離極板表面而轉(zhuǎn)化為活性物質(zhì)，這就是所謂的硫化現(xiàn)象；當(dāng)兩極的硫酸鉛被完全還原成原來的活性物質(zhì)時，即充電結(jié)束；但若再繼續(xù)充電，則發(fā)生水的電解反應(yīng)，且陰極板產(chǎn)生氫而陽極板產(chǎn)生氧，這就是所謂的氣化現(xiàn)象(足量充電前若因連續(xù)電流過大而極化也會發(fā)生氣化現(xiàn)象)[1]。因此，要設(shè)計一款適用的電動自行車光伏充電控制系統(tǒng)，除應(yīng)重點(diǎn)考慮快速充電(盡快充分利用太陽能)外，還得有效防止硫化和析氣現(xiàn)象以延長蓄電池的使用壽命。本文分析了鉛酸蓄電池充放電過程的化學(xué)反應(yīng)機(jī)理以及光伏電池的輸出特性，提出了一種由單片機(jī)控制并始終處于脈沖式充電方式下的光伏智能控制系統(tǒng)。

1 光伏電池輸出特性

光伏電池的輸出特性受外界環(huán)境影響大，主要體現(xiàn)在環(huán)境溫度和光輻射強(qiáng)度兩方面。溫度影響開路電壓，溫度越高則反而越小；而光輻射強(qiáng)度則主要影響短路電流，輻射越強(qiáng)則越大[2]。不同溫度和輻射強(qiáng)度下的I-V特性和P-V特性如圖1所示。

在符合實(shí)際使用的原則下，溫度為50℃時的太陽電池最佳工作電壓的溫度系數(shù)標(biāo)稱值為－2.3 mV/℃[3]，則當(dāng)開路電壓較小(55 V左右)時可忽略溫度的影響，且由圖1可知，光伏電池輸出電壓在80%()以內(nèi)的電流較大且呈現(xiàn)近似恒流輸出特性。當(dāng)光伏電池輸出電壓為80%時輸出功率達(dá)到最大值，此電壓值在小開路電壓和溫度及輻射強(qiáng)度變化情況下可認(rèn)為不變，這也是經(jīng)常將光伏輸出電壓穩(wěn)定在此點(diǎn)以盡可能實(shí)現(xiàn)最大功率輸出的原因[4]。

要實(shí)現(xiàn)快速充電，必須在晴朗的白天把握好陽光并充分利用，即盡可能使光伏電池工作在最大功率輸出點(diǎn)上；而延長蓄電池的使用壽命必須有效遏制蓄電池極化和硫化現(xiàn)象，即設(shè)法避免連續(xù)大電流充電，更要避免過充電。

圖1 光伏電池的輸出特性

2 電動車光伏充電控制電路原理

快速善充光伏控制電路框圖如圖2所示，兩個同向二極管主要用來對蓄電池進(jìn)行單方向充電；三個電容器(C1、C2和C3)串聯(lián)分壓，為單片機(jī)、繼電器和開關(guān)器件(IGBT)的可靠工作提供電源，同時也為光伏電池在充電后期工作于最大功率輸出點(diǎn)附近提供一定保障。圖2中的檢測電路用于不同充電階段切換條件的判斷。考慮到數(shù)模轉(zhuǎn)換相對復(fù)雜且影響效率和體積，系統(tǒng)中舍棄了常用ADC進(jìn)行檢測的方法而采用光耦(共兩組)，其原理框圖如圖3所示，=5 kΩ為上拉電阻，和為限流電阻，但因前者的電源為5 V，而后者的供電來自蓄電池兩端電壓，因此兩者的取值不同。其中=300 Ω，而的取值與所選光耦型號有關(guān)，經(jīng)調(diào)試最終取值為4.3 kΩ(其中一組檢測電路)或5.1 kΩ(另一組檢測電路)。

圖2 光伏充電系統(tǒng)框圖

圖3 其中一組檢測電路

假設(shè)蓄電池和電容器組中均無任何電量，充電時太陽電池先快速給三個串聯(lián)電容器充電，當(dāng)充電到單片機(jī)可以正常工作時，開關(guān)管被驅(qū)動導(dǎo)通(驅(qū)動脈沖頻率為100 Hz且占空比為80%)，此時太陽電池和串聯(lián)電容器組并列對蓄電池充電(可點(diǎn)亮紅色LED以示正在充電)。隨著電容器組不斷放電，單片機(jī)因電源電壓不斷減小終致無法正常工作 (IGBT自行截止)，于是光伏電池又對電容器組快速充電，直至單片機(jī)正常工作后驅(qū)動IGBT再次導(dǎo)通，如此循環(huán)往復(fù)直到單片機(jī)穩(wěn)定連續(xù)工作。此后，若在IGBT截止期間檢測到蓄電池電壓(內(nèi)阻因無電流流過而無壓降)達(dá)到光伏電池的80%左右(可點(diǎn)亮黃色LED指示)，即蓄電池充電到約44 V時繼電器動作，于是系統(tǒng)經(jīng)電感L和IGBT(驅(qū)動脈沖頻率為500 Hz且占空比為80%)對蓄電池進(jìn)行更快速間歇式充電，此時相當(dāng)于太陽電池和電容器組并聯(lián)后再與電感同向串聯(lián)，并對蓄電池進(jìn)行最后充電。若電感L值選擇恰當(dāng)(設(shè)電感兩端產(chǎn)生的感生電動勢為4 V)，則蓄電池在充電快結(jié)束(48 V)時的電流仍然較大，因?yàn)檎麄€充電過程中光伏電池的輸出電壓一直維持在80%以內(nèi)，從而實(shí)現(xiàn)了對蓄電池進(jìn)行間歇式大電流(快速)充電。當(dāng)在IGBT截止期間檢測到蓄電池已充滿電 (可只點(diǎn)亮綠色LED指示)，則立即斷開IGBT以停止對蓄電池充電。若蓄電池電壓在電動車使用中減小，則系統(tǒng)又經(jīng)電感對蓄電池進(jìn)行充電，有效避免了有陽光條件下的過度放電，體現(xiàn)出一定的人工智能。

充電控制過程如圖4所示，在整個充電過程中，蓄電池一直處于脈沖式充電狀態(tài)，從而使蓄電池化學(xué)反應(yīng)更加充分，能有效減少析氣量，也提高了蓄電池的充電電流接受率，也使蓄電池的使用壽命得以延長。

圖4 充電控制程序流程圖

3 光伏充電系統(tǒng)中元器件參數(shù)計算

在圖2中，所選繼電器線圈(應(yīng)反接二極管續(xù)流)驅(qū)動電壓為DC 24 V，IGBT驅(qū)動電壓為15 V，單片機(jī)穩(wěn)定工作電壓設(shè)為DC 5 V，根據(jù)電容器串聯(lián)分壓原理可得[5]：

4 仿真與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

用Matlab(Simulink)進(jìn)行仿真，蓄電池充電過程中端電壓的變化情況如圖5所示，fffd1b之前為充電的第一階段，fffd1a時刻充電結(jié)束。整個充電過程的蓄電池端電壓近似呈線性遞增變化，原因主要有二，首先因蓄電池除檢測電路外就再無其它放電回路(只考慮充電過程)，再則因整個充電過程中光伏電池輸出電壓均在80%fffd19以內(nèi)，充電電流近似呈現(xiàn)恒流特性。

Intelligent control system of photovoltaic quick and profitable charging for electric bicycle

The importance of fast and good charging process for photovoltaic charger was discussed， and the chemical reaction mechanism of the charge and discharge process on lead-acid batteries and output characteristics of photovoltaic cells were analyzed. An intelligent photovoltaic controller which can be controlled in the pulse-charging mode by single was proposed.The controller can make full use of the sun during the day to charge quickly. The controller also can effectively avoid the polarization and vulcanization to the battery to prolong the service life of the battery and reduce the cost of replacing battery.The results of simulation and experiment show that the system can quickly and profitably realize photovoltaic charging.

photovoltaic charger;single chip;quick charging;service life

TM 615

A

1002-087 X(2016)04-0781-02

2015-09-13

江西省科技支撐計劃項(xiàng)目(20133BBE50002)；南昌市科技局對外科技合作與成果轉(zhuǎn)化推廣計劃(2013HZCG016)；江西科技學(xué)院校級重點(diǎn)學(xué)科

湯定德(1977—)，男，江西省人，碩士，主要研究方向?yàn)殡娏﹄娮蛹夹g(shù)。