基于Simulink的太陽能高效充電控制器設計

范佳林，顧俊杰，周 敏，郭迎慶

（南京林業大學機械電子工程學院，南京210037）

隨著傳統能源開發利用所造成的生態環境污染問題日益增長，可持續發展的清潔能源越來越受到重視，因此發展以清潔太陽能為能源的發電系統具有重要意義[1]。

然而傳統光伏發電轉換效率較低，作為光伏發電與蓄電池連接的中心樞紐的光伏發電控制器對提高轉換效率具有關鍵作用，最先進的控制器核心是PWM控制方式，充電拓撲結構引入Buck 電路拓撲，通過利用光伏電池輸出與所接負載之間存在的一個使光伏電池輸出功率最大的最佳匹配點，來實現太陽能板在最大功率點附近充電，極大地提高充電效率[2-5]，在此基于Simulink的太陽能充電控制器，通過判別采集的電流電壓大小，依據模糊控制算法產生一個可控制的PWM 信號，經由驅動電路控制Buck-Boost變換器的工作模式來給蓄電池充電，從而提高光伏電池的發電效率和蓄電池的使用壽命。

1 太陽能充電控制器總體結構

太陽能是一種新興的可再生能源，資源豐富，環保無害，但使用過程中卻存在著不穩定性，隨著時間和溫度的變化，太陽能的變化最明顯，因光伏太陽能板在工作過程中受光照強度和溫度的影響，所以在仿真的過程中，選取8：00—16：00的時間段進行仿真，依據實際情況，一般條件下的太陽能板強度變化曲線及環境溫度變化曲線如圖1所示，上午與下午的太陽能光照強度和環境溫度相比于中午的較低，光伏太陽能板模塊通過輸入太陽能板輻照強度信號和環境溫度信號，模擬真實環境下太陽能板輸出的電壓與電流。

圖1 太陽能電池板輻照強度、環境溫度變化曲線Fig.1 Curves of solar panel strength and ambient temperature

在此所設計的太陽能充電控制器，使蓄電池能夠在不同電信號狀態的太陽能電池板下充電，提高蓄電池的充電效率，太陽能充電控制器主要由太陽能電池板、DC/DC轉換電路、PWM 處理部分組成，其總體結構如圖2所示。

圖2 太陽能充電控制器總體框圖Fig.2 Overall block diagram of the solar charge controller

通過信號采集，經過模糊控制算法得到對應的PWM 信號占空比，從而高效地適應太陽能電池板不同電信號下充電的模式。PWM 信號控制Buck-Boost電路以輸出對應的穩定電壓給蓄電池充電，最后蓄電池反饋電流和電壓信號給PWM 處理環節，以了解蓄電池充電情況，及時調整PWM 信號。

2 DC/DC轉換電路設計

太陽能發電系統的輸出為波動的直流電，因此需要DC/DC轉換電路實現整流、濾波、穩壓，Buck-Boost 電路是開關電源6種基本DC/DC變換拓撲之一，是一種允許輸出電壓大于、小于或者等于輸入電壓的DC/DC 斬波電路，Buck-Boost 電路亦有許多分類，經過綜合考慮，在此選用SEPIC（single ended primary inductor converter）電路，如圖3所示，其輸入輸出為同極性，且輸出脈動小。

圖3 SEPIC 斬波電路原理Fig.3 SEPIC chopper circuit schematic

在SEPIC電路中，當開關管Q 受控制電路的脈沖信號觸發而導通時，V1—L1—Q 回路和C1—Q—L2回路同時導通，L1和L2儲能；Q 處于斷態時，V1—L1—C1—D—負載（C2和R）回路及L2—D—負載回路同時導通，此階段V1和L1既向負載供電，同時也向C1充電，C1儲存的能量在Q 處于通態時向L2轉移，因此SEPIC電路能夠通過開關管的通斷保持輸出電壓穩定在某一區間[6-7]。

3 鉛酸蓄電池分析

作為大眾化的低成本二次電池，鉛酸蓄電池憑借其高可靠性、高功率密度、高效率及高性價比等優點，在汽車、通信裝置、能量貯存等領域得到了廣泛使用[6]。

由于鉛酸蓄電池適用范圍較廣，有多種充電制度，因此需要根據實際情況選擇合適的充電方法。常見的充電方法有恒電流充電、恒電壓充電、涓流充電、浮充電等。

典型12V-18AH 鉛酸蓄電池充電狀態的變化如圖4所示，可以看出，蓄電池在完全放電狀態首先進行恒電流充電，同時保持較低充電電壓，在一定時間后調整為恒電壓充電，同時保持較低充電電流，這種方法綜合了恒電流充電與恒電壓充電的優點，即充電初期大電流易被電池接受，充電后期恒壓小電流能有效避免過充現象，保障電池壽命[7]，由于控制器設計選用SEPIC電路，其輸出電壓相較電流更穩定，因此將采用恒電壓充電，以保證充電過程控制的平穩。

圖4 典型電池充電過程Fig.4 Typical battery charging process

為了能夠進行有效分析，快速調整方案，對充電控制器進行Simulink 仿真。對于鉛酸蓄電池，若需要對其進行準確模型仿真將涉及到熱力學、電極動力學、固相、電解液相等諸多復雜的方面，而且許多模型建立所需的參數，一般蓄電池生產制造商也并不會給出，因此獨立進行電池模型建立較為困難[8]。得益于Simulink內置了鉛酸蓄電池的電路模型，對其進行簡單設置，就能夠得到可用的仿真蓄電池。

在Simulink 中，將電池模型正負端接入電路，通過式（1）計算確定蓄電池實時狀態，即

式中：E0為恒壓電壓；K為極化常數；Q為最大電池容量；i*為低頻電流動態參數；Qt為電池實際容量；exp（s）為指數區動態參數；sel（s）為電池工作模式，當sel（s）=0表示電池充電，sel（s）=1表示電池放電。

最后，通過m端口輸出觀察蓄電池當前電量、電流及電壓情況，便于仿真，鉛酸蓄電池仿真運行時內部數學模型如圖5所示。

4 模糊控制

傳統控制方法要求對受控模型有準確的數學模型描述，但實際應用過程中，受控對象往往含有諸多無法通過數學模型準確描述的特點，如鉛酸蓄電池充電過程中存在非線性、時變性等特點，此時傳統的控制模式對控制對象難以準確控制，而通過將人的思維、經驗判斷轉化為簡單的數學表達，從而實現對復雜對象的有效控制，即模糊控制，就能大大降低控制難度[11-13]。

圖5 鉛酸蓄電池電路數學模型Fig.5 Mathematical model of lead-acid battery circuit

該模糊控制器以蓄電池的充電功率信號作為輸入，以PWM 信號的修正占空比作為輸出，通過模糊規則設置使蓄電池充電功率接近最大，同時保證充電平穩性，避免電壓或電流出現較大波動損害蓄電池壽命，模糊控制器使用三角形隸屬度函數對輸入dP的模糊化處理和對輸出dD的去模糊化處理，實現對充電過程的模糊控制，保證充電的安全與效率。模糊控制規則見表1，模糊控制輸入與輸出隸屬度函數圖形如圖6所示。

表1 模糊控制規則Tab.1 Fuzzy control rules

圖6 模糊控制輸入dP和輸出dD 隸屬度函數Fig.6 Fuzzy control input dP and output dD membership function

5 仿真分析

5.1 SEPIC電路模型

SEPIC電路以光伏太陽能板模塊輸出的電壓作電路輸入電壓，經過由PWM 信號控制的MOSFET改變電路狀態，輸出穩定電壓為鉛蓄電池充電，設置SEPIC電路電感L1為1 mH，L2為10 mH；電容C1為47 μF，C2為220 μF；電阻R1為1 Ω，R2為10 Ω。電池模型的種類為鉛酸蓄電池，額定電壓為18 V，額定容量為18 A·h，設定的初始電池電量為99.998%，電池的響應時間為30 s，SEPIC電路仿真如圖7所示。

圖7 SEPIC電路仿真示意圖Fig.7 Schematic of SEPIC circuit simulation

5.2 控制電路子系統

控制電路子系統[14]包括實時PWM 信號輸出及PWM 占空比修正，實現對蓄電池充電的模糊控制。子系統首先采集電路輸入電壓，經過如圖7所示流程取一定精度電壓值通過查表計算確定所需要輸出的占空比，模糊控制系統采集電池充電的電壓與電流信號作為模糊控制的輸入信號，通過如圖7所示流程，由模糊控制規則計算輸出占空比所需修正的數值，最終修正后的占空比信號輸出至電路控制電池充電。

圖8 模糊控制規則Fig.8 Fuzzy control rules

在模糊控制器中，經由規則控制（如圖8所示），輸入量與輸出量構建出確定的映射空間，通過映射空間映射關系，確定對于電池充電功率變化dP，占空比需要的變化量dD。

5.3 仿真結果分析

相較于恒壓控制，模糊控制下輸出電壓略有提高，充電電壓曲線仿真結果如圖9所示，由于電壓變化較小，可視為具有穩定的恒壓輸出。

圖9 充電電壓曲線Fig.9 Charging voltage curve

模糊控制與恒壓控制所得輸出電流均較小，但前者電流略大于后者，充電電流曲線仿真結果如圖10所示，圖中負值表示輸入，較小充電電流有利于避免過充現象，但兩者中間波動都較頻繁，會損失一部分充電效率。

圖10 充電電流曲線Fig.10 Charging current curve

充電電池電量曲線如圖11所示，采用模糊控制的電池電量曲線，充電效率相比較于恒壓控制而言，提升較為明顯，同時滿足蓄電池充電后期恒壓電流小的要求，由此表明所設計的太陽能充電控制器能夠對蓄電池進行高效充電。

圖11 充電電池電量曲線Fig.11 Rechargeable battery power curve

6 結語

通過對太陽能充電控制器各組成部分的研究，以及后續集成的綜合考慮，最終確定了設計方案；通過Simulink 進行模型仿真，確定了該方案的可行性；通過與恒壓控制的比較，發現采用模糊控制的電池充電電壓與電流均略高，充電效率提升較為明顯，達到提升充電效率的設計目的，后續將通過對控制器算法進行改進，使充電曲線盡可能符合蓄電池充電特性曲線，以期進一步提高充電效率。

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