基于單片機(jī)的船用太陽能充放電控制器的開發(fā)

蔡新梅，于 麗

基于單片機(jī)的船用太陽能充放電控制器的開發(fā)

蔡新梅1，于 麗2

（1. 遼寧省葫蘆島市渤海船舶職業(yè)學(xué)院電氣工程系，遼寧葫蘆島 125005；2. 中國石油集團(tuán)川慶鉆探工程有限公司長慶鉆井總公司，西安 710021）

為了減少海洋污染，充分利用綠色能源，研究了太陽能電池板的特性。設(shè)計(jì)了利用單片機(jī)控制的太陽能充放電控制器，對(duì)部分電路進(jìn)行仿真測(cè)試。通過太陽能電池板的輸出特性，找到了適合太陽能電池板的最佳輸出電壓及電流。利用上限及下限值設(shè)置，在單片機(jī)中通過程序控制電路是否充電。將船舶直流電源改為利用太陽能，綠色環(huán)保。

太陽能 充放電器 單片機(jī)

0 引言

目前船舶所用電能是由柴油發(fā)電機(jī)進(jìn)行發(fā)電，由配電系統(tǒng)變?yōu)橐欢ǖ慕涣麟姾筝斔偷皆O(shè)備上，或者將電能儲(chǔ)存在蓄電池中，變?yōu)橹绷麟娸敵鼋o部分用電設(shè)備供電。隨著光伏技術(shù)的不斷發(fā)展，在船舶上使用太陽能光伏進(jìn)行發(fā)電是一個(gè)綠色環(huán)保的趨勢(shì)。

船舶上應(yīng)用太陽能充放電是一種新的嘗試，目前市面上的充放電器種類很多，應(yīng)用場(chǎng)合也各有不同，但是船舶是一個(gè)特殊的載體，不同的船舶的結(jié)構(gòu)、高度、重量各有不同，因此不同船舶所用的太陽能充放電器要有針對(duì)性地進(jìn)行設(shè)計(jì)，另外，船舶受天氣、海況的影響，所用元器件及其外圍保護(hù)要給予充分考慮。

1 船用太陽能充放電控制器設(shè)計(jì)方案

船用太陽能充放電器主要為船舶上使用直流24 V供電的設(shè)備供電，本設(shè)計(jì)采用單晶硅太陽能電池板，安裝在船舶頂棚向陽一側(cè)，太陽能電池板在有一定光照強(qiáng)度下的開路電壓為42 V，接入控制器后的電壓為34 V，蓄電池的電壓為20-28 V[1]。

為了檢測(cè)蓄電池工作是否正常，需要充放電控制器檢測(cè)蓄電池輸出電壓和輸出電流，具體要求如下：

1）當(dāng)檢測(cè)到蓄電池電壓達(dá)到一定值時(shí)，使用控制器控制連接太陽能電池板與蓄電池之間的MOS管的開關(guān)，以PWM的方式，降低充電電流以進(jìn)一步為蓄電池充電，直到最后用很微小的電流將蓄電池電壓維持在某一固定值。

當(dāng)控制器檢測(cè)到蓄電池輸出電壓高于太陽能電池板輸出電壓則自動(dòng)關(guān)閉充電系統(tǒng)。

2）當(dāng)蓄電池電壓低于20 V時(shí)，自動(dòng)關(guān)斷負(fù)載（欠壓關(guān)斷）并報(bào)警。當(dāng)電壓從20 V回升到25 V時(shí)自動(dòng)接通負(fù)載。

3）當(dāng)控制器檢測(cè)到放電電流高于12 A，則控制器要自動(dòng)切斷負(fù)載并報(bào)警。

2 船用太陽能充放電控制器設(shè)計(jì)

船用太陽能充放電控制器硬件設(shè)計(jì)如圖1所示，太陽能電池板將光能轉(zhuǎn)換為電能，單片機(jī)對(duì)太陽能電池板輸出電壓及電流進(jìn)行采樣，將其電壓與電流與充電蓄電池當(dāng)前電壓與電流進(jìn)行比較，當(dāng)前者小于后者時(shí)，對(duì)蓄電池進(jìn)行充電，當(dāng)采樣電壓不在正常范圍內(nèi)則啟動(dòng)報(bào)警功能。太陽能充放電控制器硬件電路如圖1所示[2]。

圖1 太陽能充放電控制器硬件電路框圖

2.1 船用太陽能充放電器主電路設(shè)計(jì)

控制器系統(tǒng)主電路如圖2所示，控制器主要由太陽能電池板、BUCK降壓電路、開關(guān)管IGBT驅(qū)動(dòng)電路、采樣電路、及外圍輸出電路構(gòu)成。

圖2 控制器系統(tǒng)主電路

太陽能電池板將光能轉(zhuǎn)換為電能，根據(jù)太陽能電池板特性及工作原理，以及影響太陽能電池工作效能的因素，太陽能電池板的輸出電流與輸出電壓的關(guān)系為[3]：

式中，：太陽能電池板的輸出電流(A)；：太陽能電池板的輸出電壓(V)；：單個(gè)電子所含的電荷量(l.6x10-19C)；：波爾茲曼常數(shù)(l.38×10－23J/K)；：太陽能電池板表面溫度(K)；：太陽能電池板的理想因數(shù)(n=1-5)；0：表示太陽能電池板的逆向飽和電流。

由此可得到太陽能電池板不同照射度和不同溫度條件下的曲線，如圖3所示。

圖3 太陽能電池I-V特性曲線

由圖3特性曲線可以看出輻照度主要影響太陽能電池的短路電流，溫度主要影響太陽能電池的開路電壓，所以電路中要有保護(hù)電路，從圖中還可以看出，太陽能電池板輸出穩(wěn)定電壓為15 V，所以BUCK電路輸入電壓設(shè)定為15 V。

2.2 BUCK電路設(shè)計(jì)與仿真

由于太陽能電池板可以將光能轉(zhuǎn)換為直流電源，但這個(gè)電源隨著光強(qiáng)的變化而變化，很不穩(wěn)定，為了給蓄電池提供可靠穩(wěn)定的直流電源需要用到DC/DC變換電路，再利用變換電路來實(shí)現(xiàn)太陽能電池內(nèi)阻與外電路的等效阻抗進(jìn)行匹對(duì)，從而保證太陽能電池的最大輸出功率，本設(shè)計(jì)采用的是BUCK電路，電路設(shè)計(jì)及仿真如圖4、5所示[4]。

圖4 BUCK仿真電路

圖5 BUCK電路仿真波形

2.3 過流保護(hù)電路

過流保護(hù)電路如圖6所示，利用100 kΩ電阻進(jìn)行限流，通過比較器LM311對(duì)采樣電流轉(zhuǎn)換的電壓進(jìn)行比較，LM311的3腳接10 kΩ 電位器用以調(diào)節(jié)比較基準(zhǔn)電壓，輸出后接100 Ω的限流電阻與后面的220 μF電容形成保護(hù)時(shí)間控制。當(dāng)電流過流時(shí)，比較器輸出高電平保護(hù)，防止損壞后續(xù)電路[5]。

圖6 過流保護(hù)電路

3 船用太陽能充放電控制器軟件設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)采用單片機(jī)進(jìn)行控制，主要涉及到太陽能電池板輸出電壓及輸出電流采樣，如果輸出電壓及電流超出預(yù)設(shè)保護(hù)值，則系統(tǒng)控制電路不給蓄電池充電，如果輸出值在保護(hù)值范圍內(nèi)，且在蓄電池電壓降至某一值時(shí)給蓄電池充電，當(dāng)充電結(jié)束后自動(dòng)中斷充電回路，以保證充電可靠有效，同時(shí)，單片機(jī)將蓄電池當(dāng)前值顯示出來，如果由于不當(dāng)原因使蓄電池輸出電壓或電流不在正常值范圍內(nèi)，則進(jìn)行報(bào)警，系統(tǒng)主程序流程圖如圖7所示。

圖7 系統(tǒng)主程序流程圖結(jié)束

4 小結(jié)

本設(shè)計(jì)采用單片機(jī)來控制太陽能充放電器，該設(shè)備能可靠有效地運(yùn)行，外部有采樣電路、電壓、電流保護(hù)電路、顯示電路、報(bào)警電路等，在軟件設(shè)計(jì)中采用太陽能電池板輸出電壓、電流及蓄電池輸出電壓及電流進(jìn)行采樣的方法，利用上限值和下限值決定對(duì)設(shè)備是否充電，從而進(jìn)一步保護(hù)了硬件電路。

[1]楊金煥. 太陽能光伏發(fā)電應(yīng)用技術(shù)[M]. 北京: 電子工業(yè)出版社, 2009.

[2]胡雨亭. 太陽能充放電控制器的研究[D]. 北京：北京交通大學(xué), 2013.

[3]林靜. 光伏充放電器及其應(yīng)用研究[D]. 北京：北京交通大學(xué), 2014.

[4]劉清. 船用太陽能電池組件日光照射性能仿真[J]. 艦船科學(xué)技術(shù). 2016,(12): 40-42.

[5]劉超然, 康建軍等. 海洋型光伏充放電控制器的設(shè)計(jì)研究[J]. 海洋技術(shù)學(xué)報(bào). 2015, (10): 43-46.

Development of Marine Solar Charge and Discharge Controller Based on Single-Chip Microcomputer

Cai Xinmei1, Yu Li2

(1. Bohai Shipbuilding Vocational College, Huludao 125005, Liaoning, China; 2. China Petroleum Group Chuanqing Drilling Engineering Co., Ltd. Xi'an 710021, China)

TM571

A

1003-4862（2019）03-0026-03

2018-10-30

蔡新梅（1979-），女，副教授。研究方向：電子與通信技術(shù)的教學(xué)與研究。E-mail: caixinmei@sina.com