智能化船用太陽(yáng)能充電控制器的研制

張少明，崔 浩，區(qū)錦品，鄧業(yè)勝

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智能化船用太陽(yáng)能充電控制器的研制

張少明1,2，崔 浩1，區(qū)錦品1，鄧業(yè)勝2

（1. 廣東交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣州510800; 2. 廣東高校船舶自動(dòng)化集成技術(shù)開(kāi)發(fā)中心，廣州510800）

設(shè)計(jì)一種針對(duì)小型船舶太陽(yáng)能智能控制器，能簡(jiǎn)單與船舶原充放電系統(tǒng)進(jìn)行組合，使得太陽(yáng)能在小型船舶上的使用更加方便與高效。

小型船舶 太陽(yáng)能 PWM 充放電管理

0 引言

隨著太陽(yáng)能充電系統(tǒng)在內(nèi)河船舶上使用逐步增加，但沒(méi)有專(zhuān)門(mén)針對(duì)船舶系統(tǒng)設(shè)計(jì)的太陽(yáng)能充放電控制器，雖說(shuō)目前的太陽(yáng)能控制器產(chǎn)品了相對(duì)成熟，但基本為陸用，現(xiàn)有控制器基本沒(méi)考慮船舶原有蓄電池充放電系統(tǒng)，安裝使用時(shí)則需要對(duì)船舶原有的充放電系統(tǒng)進(jìn)行線(xiàn)路改造，針對(duì)此，設(shè)計(jì)出一套符合小型船舶使用的太陽(yáng)能充放電控制器，將原船充放電系統(tǒng)加入太陽(yáng)能控制器的設(shè)計(jì)中，提高使用效率與減少線(xiàn)路的改造。經(jīng)過(guò)重新設(shè)計(jì)與制作，新的控制器不但可以改進(jìn)在內(nèi)河船舶上增添太陽(yáng)能時(shí)的線(xiàn)路改造外，還可以為漁船或封閉水域的小型船舶在長(zhǎng)時(shí)間停航或休漁期時(shí)，蓄電池因不能及時(shí)充電管理，造成蓄電池?fù)p壞、減短壽命[1]。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 設(shè)計(jì)思路

從以下三點(diǎn)考慮：1）使太陽(yáng)能板充電能可使用在內(nèi)河船舶、封閉水域船舶及漁船等中使用，可降低船舶排放，保護(hù)環(huán)境；2）太陽(yáng)能板充電與內(nèi)河船舶、封閉水域船舶及漁船原有的充電系統(tǒng)互相轉(zhuǎn)換充電，能降低運(yùn)營(yíng)成本，也能滿(mǎn)足實(shí)際需要；3）控制器功能上必須有防止蓄電池過(guò)載充電、過(guò)載放電等太陽(yáng)能控制器的基本功能；

本技術(shù)方案的結(jié)構(gòu)有船舶原有充電系統(tǒng)、太陽(yáng)能充電板、蓄電池、電路控制器、負(fù)載五部分組成。如圖1所示：方框?yàn)榭刂破鳎湎到y(tǒng)框圖如圖所示。主要包括電壓采集、溫度采集、電流采集、驅(qū)動(dòng)輸出和顯示電路等單元電路。此技術(shù)方案能實(shí)現(xiàn)船舶發(fā)電機(jī)（原充電系統(tǒng)）的充電與太陽(yáng)能板充電的轉(zhuǎn)換，起到蓄電池過(guò)充放電保護(hù)及管理，顯著延長(zhǎng)蓄電池的使用壽命[1]。

1.2 組成

根據(jù)以上功能要求完成初步電路控制圖：

紅色框?yàn)橹悄艹潆娍刂破鳎褐饕ㄖ麟娐芳皢纹瑱C(jī)控制電路二個(gè)部分。

1）主電路連接外部整個(gè)系統(tǒng)，外接端口1、2連接太陽(yáng)能板；3、4端口連接船舶發(fā)電機(jī)（原充電系統(tǒng)）；5、6端口連接蓄電池組；7、8端口連接負(fù)載、逆變器或電網(wǎng)，供直流設(shè)備或交流設(shè)備。設(shè)有U1～U3電壓采集、單片機(jī)輸出S1～S4信號(hào)驅(qū)動(dòng)Q1～Q4的雙柵場(chǎng)效應(yīng)管控制器、肖基特二極管SBD1、SBD2、保險(xiǎn)絲FUSE、報(bào)警BUZZER等組成；

2)控制電路使用微處理控制器為核心，連接電壓采集U1～U3、溫度采集Rv、電流采集（電路中未體現(xiàn)）、驅(qū)動(dòng)輸出S1～S4、起動(dòng)發(fā)電機(jī)信號(hào)和顯示電路等組成。單片機(jī)控制部分設(shè)計(jì)如圖2。

1.3 工作原理

單片機(jī)通過(guò)對(duì)太陽(yáng)能電池板、蓄電池及充電電網(wǎng)電壓、負(fù)載電流、環(huán)境溫度等參數(shù)的循環(huán)檢測(cè)、判斷，控制驅(qū)動(dòng)輸出U1～U4信號(hào)，對(duì)S1～S4雙柵場(chǎng)效應(yīng)管進(jìn)行開(kāi)關(guān)控制，完成船舶發(fā)電機(jī)（原充電系統(tǒng)）的充電與太陽(yáng)能板充電的轉(zhuǎn)換，進(jìn)行充電、放電、過(guò)充、過(guò)放和過(guò)載保護(hù)以及溫度補(bǔ)償?shù)裙δ埽鸬叫铍姵剡^(guò)充放電保護(hù)及管理。

1）充電管理

如圖1所示，系統(tǒng)初始上電工作時(shí)，單片機(jī)根據(jù)U1和U2對(duì)太陽(yáng)能充電面板和充電電網(wǎng)的端電壓進(jìn)行采樣，判斷當(dāng)前光線(xiàn)情況。如U1電壓足夠，說(shuō)明太陽(yáng)光線(xiàn)足夠，打開(kāi)Q1，由太陽(yáng)能面板向蓄電池供電；若S1電壓很壓或?yàn)榱憧膳袛嗤饨绻饩€(xiàn)很暗，轉(zhuǎn)由船舶電網(wǎng)向蓄電池供電，關(guān)斷Q1，打開(kāi)Q2，接通充電電網(wǎng)向蓄電池供電，若U2電壓足夠，說(shuō)明充電電網(wǎng)有電，若U2與U3同時(shí)不足時(shí)，發(fā)出起動(dòng)發(fā)電柴油機(jī)信號(hào)。

2）蓄電池充放電管理

二極管SBD2防止蓄電池向太陽(yáng)能電板和充電網(wǎng)反向充電，單片機(jī)通過(guò)判斷U3電壓，決定是否打開(kāi)Q1或Q2向蓄電池充電，通過(guò)發(fā)光二極管發(fā)出U1～U3對(duì)蓄電池進(jìn)行充放電管理，選用四段充電法。

充電初期，S1或S2控制信號(hào)采用小PWM占空比脈沖信號(hào)，實(shí)現(xiàn)對(duì)蓄電池以較小電流進(jìn)行初步充電；充電中期，S1或S2信號(hào)采用相對(duì)較大PWM占空比脈沖信號(hào)，控制M1或M2導(dǎo)通和判斷，實(shí)現(xiàn)快速的脈沖充電。并適時(shí)地輸出S3信號(hào)對(duì)蓄電池進(jìn)行反向大電流瞬間放電，可消除蓄電池的極化現(xiàn)象；充電后期，充電至蓄電池容量約九成時(shí)，輸出固定PWM，充電電流偏小，時(shí)間長(zhǎng)，使蓄電池容量接近滿(mǎn)格；最后，進(jìn)入浮充電狀態(tài)。

3）保護(hù)電路

D2可以防止極性接反而造成負(fù)載損壞；雙柵場(chǎng)效應(yīng)管Q4可作為過(guò)放和過(guò)載保護(hù)作用，Q4與負(fù)載形成串聯(lián)關(guān)系，當(dāng)檢測(cè)出場(chǎng)效應(yīng)管導(dǎo)通電阻壓降超過(guò)規(guī)定值時(shí)，說(shuō)明負(fù)載電流達(dá)到最大允許值，單片機(jī)通過(guò)S4控制Q4關(guān)斷，當(dāng)電流恢復(fù)正常后，Q4又可以重新開(kāi)啟恢復(fù)工作，屬于自恢復(fù)型。

4）其他電路

取鉛酸蓄電池溫度補(bǔ)償值為-4 mV/0C/節(jié)計(jì)算，實(shí)現(xiàn)溫度補(bǔ)償，單片機(jī)通過(guò)圖2中ADC3電壓值采樣，對(duì)蓄電池過(guò)充過(guò)放進(jìn)行校正和補(bǔ)償；設(shè)置蜂鳴器BUZZER及發(fā)光二極管做為報(bào)警[2]。

2 充電方式依據(jù)

根據(jù)馬斯3定律明:在充電過(guò)程中,當(dāng)充電電流接近蓄電池固有的微量析氣充電曲線(xiàn)時(shí),適時(shí)地對(duì)電池進(jìn)行反向大電流瞬間放電,能消除電池的極化現(xiàn)象,可以提高蓄電池的充電接受能力,從而大大提高充電速度,縮短充電時(shí)間[3]。

3）蓄電池最終的允許充電電流t(接受能力)是各個(gè)放電率下的允許充電電流的總和,蓄電池的總電流接受比表示為:,為各次放電量的總和,即蓄電池放出的全部電量[3]。

方案采用了快速PWM動(dòng)態(tài)恒壓充電方式。根據(jù)蓄電池端電壓調(diào)整PWM脈沖的占空比,由于占空比不同得到的平均電壓也會(huì)不同,因此,對(duì)蓄電池的充電電壓就會(huì)不同,從而控制了充電電壓的大小[4]。

3 實(shí)驗(yàn)效果

設(shè)計(jì)電流為40 A以?xún)?nèi)，故選用Q1～Q4的雙柵場(chǎng)效應(yīng)管型號(hào)IRF3205，功率若再提高，需對(duì)效應(yīng)管及電路進(jìn)行適當(dāng)修改；充電電源管理測(cè)試，數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)多組測(cè)量，取平均值，環(huán)境溫度為25～35 C°之間，如表1。數(shù)據(jù)符合控制要求，其中12 V電壓充滿(mǎn)電壓測(cè)試，平均值約13.68 V。

有太陽(yáng)充足時(shí)，當(dāng)太陽(yáng)能板端電壓低于5.3V時(shí)或蓄電池電壓低于充電電壓時(shí)，自動(dòng)切換為船舶電源提供，充電時(shí)電路板上有紅燈閃爍，充滿(mǎn)電是紅燈常亮。

4 結(jié)語(yǔ)

模塊適合在船舶加裝太陽(yáng)能設(shè)備時(shí)使用，可在原配電基礎(chǔ)上直接加裝，方便高效，可有效延長(zhǎng)蓄電池的使用壽命及提高光伏系統(tǒng)效率，具有一定應(yīng)用價(jià)值。

[1] 張少明.一種船舶蓄電池充放電智能控制器.中國(guó)專(zhuān)利ZL201520895866.3[P].2016.

[2] 李維華.智能型太陽(yáng)能控制器的研制[J].新能源,2000,22(12):74-76.

[3] 張鵬,王興君,王松林.電動(dòng)車(chē)鉛酸蓄電池的脈沖快速充電設(shè)計(jì)[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2007,18:177-180.

[4] 杜娟娟,裴云慶,王兆安.電動(dòng)車(chē)鉛酸蓄電池的脈沖快速充電設(shè)計(jì)[J].電源技術(shù)應(yīng)用，2005,8(3):28-31.

Development of Intelligent Marine Solar Charging Controller

Zhang Shaoming1,2, Cui Hao1, Qu Jinpin1, Deng Yesheng2

（1.Guang Dong Communication Polytechic, Guangzhou 510800,China; 2.Guangdong University Ship Automation System Integration Engineering Technology Development Center, Guangzhou 510800, China）

TM615

A

1003-4862（2017）03-0067-03

2016-12-15

張少明 (1974-)，男，副教授。研究方向：輪機(jī)工程技術(shù)。