基于MPPT的太陽能充電控制器的設計

付蓉 張義雷 蔣富忠 周堃 趙俊東

摘 要：本文設計了一種具有MPPT功能的光伏發電充電控制器。通過單片機檢測蓄電池充電電壓、充電電流的大小，自動切換充電器的工作狀態，有效地提高了蓄電池的壽命。在光照條件不足時，蓄電池的電壓，電流未超出給定值，開啟MPPT功能，保證整個系統最大效率的充電。經matlab仿真，該設計具有可行性。

關鍵詞：太陽能 MPPT 充電控制 Matlab仿真

中圖分類號：TM91 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2018）01（a）-0028-04

Abstract： This paper designs a photovoltaic power charging controller with MPPT function. The machine can detect the charging voltage of the battery， the size of charging current， and automatically switch the working state of the charger， effectively improving the battery life. When the lighting condition is insufficient， the voltage of the accumulator is not exceeding the given value， and the MPPT function is opened to ensure the maximum efficiency of the whole system. Through Matlab simulation， the design is feasible

Key Words： Solar energy； MPPT； Charge control； Matlab

光伏發電技術由于可將無污染、可再生的太陽能轉換為方便存儲的電能，因此在全球能源緊張和環境污染嚴重的今天，日益受到人們的關注和重視。然而，光伏發電一直面臨著轉換效率低的問題。提高轉換效率，這在民用和工業上都是人們相當關注的焦點[1]。作為光伏發電技術與蓄電池連接樞紐的光伏充電控制器，對提高轉換效率有著極其關鍵的作用。然而傳統的蓄電池充電技術無法追蹤光伏電池的最大功率點，造成能量的損失及利用效率較低的問題。本文設計的一種帶MPPT控制的光伏發電充電控制器，在基于蓄電池三段式充電方式的基礎上，加入MPPT功能，利用電導增量法控制策略，在光照不足時使光伏電池具有最大的功率輸出，從而提高光伏電池的發電效率和蓄電池的使用壽命。

1 系統整體組成及設計

光伏發電充放電控制系統主要由太陽能電池陣列、控制器和蓄電池組成。

圖1所示的控制器主要由DC-DC變換電路，檢測電路，驅動電路，微處理器等部分組成。檢測電路通過AD采樣，得到充電電流和電池電壓，來控制充電狀態。同時根據蓄電池的狀態，以決定是否進行MPPT控制，微處理器通過改變產生PWM的占空比來達到控制目標。

2 硬件設計

2.1主電路設計

本設計選用的太陽能電池參數特性如下：峰值功率為60W，在T=25℃，S=1000W/m3時，開路電壓VOC=21.3V，短路電流ISC=3.74A，最大功率點電壓VPM=17.5V，最大功率點電流IPM=3.43A。蓄電池為鉛酸蓄電池12V-38AH。為了使太陽能電池較好地符合充電要求，DC-DC變換電路選用降壓型BUCK換器[2]，其主要電路原理圖如圖2所示。

2.2 驅動電路設計

對于Buck DC-DC變換電路的開關管Q_1需要設計驅動電路。采用驅動芯片a3120，芯片結構圖如圖3所示，該芯片為光電耦合MOSFET柵極驅動芯片，工作電壓為15～30V，輸出側驅動電流可達2A。芯片采用光電耦合將驅動電路與控制電路完全隔離，體積小，結構簡單，應用方便。由DSP產生的PWM信號作a3120輸入，輸出給開關管的柵極，驅動MOSFET，如圖4所示。

系統需要檢測的參量有電池組側電壓Ubat、充電電流Ibat、光伏電池兩端的電壓Upv與電流Ipv。電壓的檢測較為簡單，通過選用合適阻值的電阻進行分壓即可，不再詳述。充電電流I1的檢測使用MAX471電流檢測芯片。MAX471是美國MAXIM公司推出的精密電流傳感放大器，內置35mΩ精密傳感電阻，可測量電流的上下限為±3A，其結構圖如圖5，圖6所示，在輸出端OUT接2kΩ1%精密電阻將電流轉化為對地電壓輸出。

3 軟件設計

3.1 MPPT的算法設計

太陽能光伏電池的功率特性曲線是一個單峰函數，在功率最大值Vmax處dP/dV=0，在Vmax兩端dP/dV的導數均不為0，若令step=A*abs（dP/dV）作為導納增量法中的步長數據，在距離最大功率點較遠時使A較大，在距離最大功率點較近時使A較小，通過設置合適的A，可以實現在最大功率的跟蹤過程中的變步長跟蹤[3]。算法流程圖如圖7所示。

3.2 充電控制的算法設計

本設計采用改進型的階段充電法對蓄電池進行充電，充電過程分為3個狀態，即MPPT全充狀態、恒充狀態、浮充狀態[4]。主要依據采樣蓄電池的充電電壓值Ubat充電電流值Ibat來判斷蓄電池充電階段。整個算法的控制流程圖如圖8所示。由蓄電池參數特性可知道蓄電池的最大充電電流為0.3C，由此可以得出最大充電電流為11.4A，通過調節MOS管的導通關斷情況來達到控制充電狀態，達到控制要求。整個蓄電池的充電過程分為以下3種情況[4]。

（1）全充狀態。蓄電池的開路電壓Ubat<14.2V，我們認為蓄電池處于過放電狀態。這時需要短時間內快速提高蓄電池電壓，因此采用全充充電方法。啟動MPPT功能，以能達到的最大電流給蓄電池充電。

（2）恒充狀態。當充電電流達到3.8A時，此時應轉入恒流充電狀態，控制蓄電池的充電電流不超過0.1C。整個過程需要監測充電電壓，一旦電流達到設定的最大值，開啟恒壓充電模式。

（3）浮充狀態。當蓄電池的開路電壓Ubat>14.2V，我們認為蓄電池的電壓范圍正常。執行浮充充電程序，當充電電流小于關斷電流閾值時，切斷充電回路，退出充電程序。

4 仿真模型

4.1 太陽能模型仿真

利用太陽能電池的開路電壓，短路電流，最大功率點電壓，最大功率點電流搭建太陽能電池模型，得出太陽能電池的伏安特性曲線與功率曲線，仿真結果如圖9、圖10所示。由仿真結果可以得知太陽能模型的正確性。

4.2 MPPT狀態仿真

在蓄電池電壓、電流均為超過設定值時，開啟MPPT功能，分別檢測太陽能電池兩端的電流和電壓，經過變步長的方法使之以最大功率輸出。如圖11所示，在該模式下，最終電壓可以穩定在最大功率點附近。

4.3 恒充狀態仿真

如圖12所示，恒充狀態中有兩個相互獨立的PI控制環，分別是恒流和恒壓。首先檢測蓄電池兩端電壓，若低于SWITCH開關設置的閾值，則電流環電路導通，對蓄電池以10A的恒定電流進行充電；隨著充電的不斷進行，電壓不斷升高，當超過閾值時，則切換到電壓環電路，以13.2V對蓄電池級進行恒壓充電，以此來實現保護蓄電池的目的。整個充電過程的電壓、電流和SOC曲線如圖13所示。電壓處于上升階段，未達到限定值13.2V，此時處于恒流階段，電流基本穩定在3.8A。

5 結語

通過仿真，可以驗證本設計在三段式充電法的基礎上進行改進，保護了蓄電池的使用壽命，同時可以根據蓄電池的狀態，來決定是否開啟MPPT功能，以發揮光伏電池的最大效應。

參考文獻

[1] 付營飛.基于MPPT控制器的光伏系統設計研究[D].長安大學，2015.

[2] 王章權，裘楊杰.帶MPP控制的光伏充電控制器的設計[J].電氣電子教學學報，2011（6）：61-64.

[3] 時劍.太陽能最大功率點跟蹤控制系統的研究與實現[D].蘇州大學，2009.

[4] 林靜.光伏充放電控制器及其應用研究[D].北京交通大學，2014.