智能太陽(yáng)能充電控制器研究

李 楠，陳 恒，李 森，王 馳，田懷谷

（西京學(xué)院 理學(xué)院，陜西 西安 710123）

1 總體結(jié)構(gòu)框架

太陽(yáng)能光伏發(fā)電技術(shù)，因其轉(zhuǎn)換效率高、無(wú)污染、不受地域限制、維護(hù)方便、使用壽命長(zhǎng)等諸多優(yōu)點(diǎn)，近年來在世界范圍內(nèi)得到了迅速的應(yīng)用和發(fā)展[1]。隨著應(yīng)用領(lǐng)域的擴(kuò)展及用戶性能需求的不斷演變，光伏發(fā)電技術(shù)的重點(diǎn)也慢慢集中在如何提高光伏電池轉(zhuǎn)換的高效性、可靠性和安全性等方面，所以，光伏系統(tǒng)中關(guān)于充電控制器的研究逐漸成為行業(yè)研究的重點(diǎn)。目前，光伏充電控制器研究主要集中在充電控制算法的改進(jìn)和產(chǎn)品功能多樣化的拓展方面[2]。

該智能太陽(yáng)能充電控制器系統(tǒng)由太陽(yáng)能光伏電池、蓄電池組、STM32單片機(jī)、DC-DC變換電路和輔助電路等組成，系統(tǒng)框架如圖1所示。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

該項(xiàng)目硬件電路主要由主控電路、蓄電池充電電路、信號(hào)采集電路和充電保護(hù)電路等部分組成。（1）主控電路設(shè)計(jì)：選擇STM32單片機(jī)作為整個(gè)充電控制器控制系統(tǒng)的控制芯片，具有性能高效、設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單且成本低的特點(diǎn)，有較高的穩(wěn)定性和廣泛的實(shí)用性。（2）蓄電池充電電路設(shè)計(jì)：充電電路即為連接光伏電池與蓄電池之間的電路，多用DC電路進(jìn)行連接，本項(xiàng)目將擬在Buck電路上進(jìn)行線路拓展。（3）信號(hào)采集電路設(shè)計(jì)：主要包括太陽(yáng)能電池板電壓電流采集電路、蓄電池電壓電流采集電路、溫度采集電路等，采集的微信號(hào)通過模擬電路的轉(zhuǎn)換后傳輸?shù)絾纹瑱C(jī)中，單片機(jī)進(jìn)行信號(hào)處理后通過WiFi模塊、云平臺(tái)將數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)顯示到手機(jī)客戶端，從而讓用戶及時(shí)獲取充電信息。（4）保護(hù)電路設(shè)計(jì)：為了保證充電器的安全性和可靠性[3]，單片機(jī)和外圍電路進(jìn)行了過壓、過載、反接和短路保護(hù)電路設(shè)計(jì)，相比于傳統(tǒng)的模擬電路設(shè)計(jì)方式，該設(shè)計(jì)通過單片機(jī)進(jìn)行電壓、電流等參數(shù)大小的檢測(cè)和開關(guān)器件的控制，具有采樣精度高、靈活方便、可靠性高等優(yōu)點(diǎn)。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 軟件算法設(shè)計(jì)

該項(xiàng)目在軟件設(shè)計(jì)上采用最大功率點(diǎn)追蹤（Maximum Power Point Tracking，MPPT）算法和蓄電池充放電算法來提高蓄電池的充電效率。

3.1.1 MPPT算法設(shè)計(jì)

太陽(yáng)能電池板在陽(yáng)光照度及負(fù)載大小等因素的影響下，輸出電壓和功率值是動(dòng)態(tài)變化的，為了使其控制器從太陽(yáng)能電池板中獲取最大可用功率，該項(xiàng)目在軟件設(shè)計(jì)上引入了MPPT算法，通過改變PWM波的占空比，來實(shí)現(xiàn)控制過程中最大功率點(diǎn)的實(shí)時(shí)追蹤。MPPT算法流程如圖2所示，其中，V(K)表示太陽(yáng)能電池板輸出電壓，V(K－1)表示前一時(shí)刻輸出電壓，I(K)表示輸出電流，P(K)表示輸出功率，P(K－1)表示前一時(shí)刻的輸出功率。

圖1 系統(tǒng)框架

圖2 MPPT算法流程

3.1.2 蓄電池充放電算法設(shè)計(jì)

由于MPPT作為充電的一個(gè)階段并不能單獨(dú)使用，通常需要結(jié)合浮充充電、均衡充電等充電方式共同完成對(duì)蓄電池的充電，因而該項(xiàng)目將MPPT算法與蓄電池充電進(jìn)行綜合，采用階段性充電的方式進(jìn)行了充電方法的改進(jìn)[4]。

階段性充電過程主要分為：（1）快速充電階段。由于初始充電階段，蓄電池電壓未達(dá)到充滿電壓的設(shè)定值，采用MPPT充電能夠以最大的太陽(yáng)能能量給蓄電池充電，當(dāng)蓄電池電壓達(dá)到設(shè)定值后，進(jìn)行恒壓充電。（2）維持充電階段。當(dāng)蓄電池電壓達(dá)到維持電壓的設(shè)定值后，進(jìn)行恒壓方式充電，不再進(jìn)行MPPT充電，充電電流逐漸下降。（3）浮充充電階段：蓄電池電量已經(jīng)充足，因而采用小電流充電的方式進(jìn)行浮充充電，從而補(bǔ)充電池自放電造成的能量損失，保持電量充足。（4）均衡充電階段。由于蓄電池在使用過程中會(huì)產(chǎn)生電壓不均勻現(xiàn)象，通過均衡充電的方式，攪動(dòng)電解質(zhì)，以平衡蓄電池電壓，從而提高蓄電池的使用壽命。

3.2 手機(jī)APP設(shè)計(jì)

綜合考慮開發(fā)難度、開發(fā)成本、開發(fā)周期等因素，本項(xiàng)目手機(jī)上位機(jī)擬采用易安卓語(yǔ)言進(jìn)行開發(fā)，其中，手機(jī)APP上位機(jī)主要顯示參數(shù)包括：電池板電壓電流、蓄電池電壓電流、負(fù)載電壓電流、實(shí)時(shí)功率、充電功率、負(fù)載功率等。

4 結(jié)語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)了一種智能太陽(yáng)能充電控制器，采用模塊化設(shè)計(jì)，整個(gè)系統(tǒng)由下位機(jī)硬件系統(tǒng)和上位機(jī)軟件系統(tǒng)組成。硬件方面，通過保護(hù)電路、采集電路等電路的設(shè)計(jì)，保障了設(shè)備的安全性、可靠性和穩(wěn)定性[5]；軟件方面，通過軟件算法的優(yōu)化，提高了該設(shè)備的高效性。該設(shè)備契合當(dāng)下流行的物聯(lián)網(wǎng)功能，上位機(jī)手機(jī)APP的搭建拓展了產(chǎn)品功能的多樣性，具有很高的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值與廣闊的市場(chǎng)前景。