基于MPPT的光伏蓄電池脈沖充電技術研究

易 磊，黃啟元，李嘉澤，劉成勇，朱雙喜

(華中科技大學電氣與電子工程學院，湖北武漢 430074)

光伏發電是當前太陽能資源利用的一種十分重要的途徑，但它存在間歇性、隨機性等特性，這要求光伏系統實現發電和儲能控制平衡。蓄電池是光伏系統中常用的儲能裝置，實際使用中常常會因充放電問題使得蓄電池壽命短、容易失效。考慮以上因素，目前已有許多光伏發電控制器的設計方案和蓄電池充電策略。

文獻[1]對現有鉛酸蓄電池充電控制策略進行分類與歸納，總結了不同充電策略的特點與應用場合。文獻[2]設計了一種充電電路拓撲，提出一種三階段充電策略，保證充電電流處于馬斯曲線內。但其仍然采用的是連續式充電策略，在蓄電池端電壓接近飽和時，電池可接受充電電流將變小，充電效率降低。文獻[3]將MPPT 與三階段充電策略結合，保證太陽能的利用效率。但其未考慮蓄電池充電末期的極化等現象，使得充電末期充電速度慢，而且電池極化、析氣將對電池壽命造成損傷。

針對以上問題，本文結合MPPT 與蓄電池脈沖充電技術，提出基于MPPT 的脈沖充電控制策略，在提高太陽能利用效率的同時，對蓄電池有一定的保護。

1 光伏電池充電控制系統

光伏電池充電控制系統見圖1，包括光伏電池，DC/DC 變換器，蓄電池及控制器。光伏電池將太陽能經過光電效應轉變為電能，直流變換器采用BUCK 降壓電路，對蓄電池進行充電。

圖1 光伏電池充電控制系統結構框圖

圖1 中，控制器ADC 模塊采集光伏電池與蓄電池的端電壓和電流，處理器通過數字控制技術實現光伏電池MPPT 和蓄電池脈沖充電算法，輸出PWM 信號通過驅動電路后控制DC/DC 變換器開關工作。

2 MPPT 與蓄電池階段式充電控制

2.1 最大功率點跟蹤控制

光伏電池輸出電壓和電流受外界光照強度、溫度以及電路負載變化的影響，圖2 所示為光伏電池工作特性曲線。在環境條件一定時，光伏電池輸出功率隨電壓非線性變化，存在最大功率點[3]。

圖2 光伏電池P-V特性曲線

從圖2 可知，在外界環境條件一定時，當負載與光伏電池內阻相等時，光伏電池輸出最大功率。光伏電池MPPT 控制原理正是通過調節直流變換器的占空比，使得負載與光伏電池等效內阻相等，從而達到最大功率點跟蹤。

常規MPPT 控制算法以光伏電池P-V特性曲線的單峰值為基礎，主要有恒定電壓法、擾動觀察法和電導增量法等[3]。本文為實現光伏系統MPPT 控制的準確性與快速性，采取電導增量法來跟蹤光伏電池最大功率點，具體控制算法流程圖見圖3。

圖3 電導增量法控制流程圖

圖3 中電導增量法是根據光伏電池功率和電壓的導數來調節輸出功率，從而實現最大功率點跟蹤。光伏電池最大功率點處功率和電壓導數為零，當光伏電池工作在最大功率點左側時，需要對電壓進行正向調節；當工作在最大功率點右側，需要對電壓進行反向調節。

2.2 蓄電池階段充電控制

蓄電池作為光伏系統中重要的儲能裝置，主要用于儲存多余的電能和對負載進行放電，因此蓄電池的充放電控制對于光伏系統有重要意義。傳統的充電方法有恒壓充電法、恒流充電法和三階段充電法等[4]，其中三段式充電方式因為具有恒壓充電與恒流充電的優點，目前有一定的應用。

三階段充電實現過程是首先對蓄電池小電流修復充電，然后進行大電流充電和恒壓充電，最后完成浮充充電。若剛開始蓄電池處于深度放電的狀態，初始電壓過低，為避免充電電流過大，對蓄電池進行小電流修復充電。隨著電池的電壓上升，當上升到電池能接受大電流時，則進行大電流充電。當電壓升高到一定的值后，蓄電池進入恒壓充電階段。當電流下降到一定值，蓄電池接近充滿，開始進入浮充階段。

三階段充電控制雖可以實現蓄電池正常充電，但為了最大限度地利用太陽能，本文將MPPT 與三階段充電策略相結合，由MPPT 充電取代傳統的大電流充電階段，從而保證光伏電池最大功率輸出，圖4 為MPPT 與階段充電控制流程圖。

圖4 中，初始設置電池電壓和電流最大值，當電壓和電流較小時啟動MPPT 對蓄電池充電，充電電流達到最大電流后切換到恒流充電，當電壓達到最大功率點時進入恒壓充電，最后階段采用浮充充電。相較于傳統三階段充電，MPPT 充電可實現光伏電池最大功率輸出，并且加入恒流充電后可以限制MPPT 充電時電流過大，以此來保護蓄電池。

圖4 MPPT與階段充電控制流程圖

3 蓄電池脈沖充電控制

3.1 脈沖充電

脈沖充電可以實現快速充電，提高蓄電池的電流接受能力。因為充電方式為脈沖，充電期間對蓄電池進行充電，而間歇期間停止對蓄電池充電，提供電解水副反應所產生的氫氣和氧氣重新化合的時間，使蓄電池重新回到最佳狀態[5-7]。

傳統三段式充電方法在充電后期，充電電流比較小，導致較長的充電時間。本文提出在充電末期采用脈沖充電縮短充電時間，提高蓄電池的電流接受能力并且延長蓄電池的使用壽命。

3.2 MPPT-脈沖充電

本文提出的新型充電策略，在充電前期采用MPPT 充電，而在充電末期采用脈沖充電，既保證光伏電池最大功率輸出，同時也可以加快充電速度，延長蓄電池使用壽命。基于MPPT 的蓄電池脈沖充電策略流程圖見圖5。

圖5 中，初始采用小電流充電激活蓄電池，之后采用MPPT 充電和恒流充電，當蓄電池容量充至80%時進入脈沖充電，后期隨著脈沖充電進行，脈沖周期增大，占空比逐步減小，最后結束充電。

圖5 基于MPPT的蓄電池脈沖充電流程圖

基于MPPT 的蓄電池脈沖充電電路見圖6，控制開關管Q1 實現涓流、MPPT 和恒流充電，進入脈沖充電階段前，Q2 始終處于導通狀態。隨著蓄電池容量增加，進入脈沖充電階段時，用PWM 控制開關管Q2，Q2 斷開時，光伏電池無法向負載供電，以此來實現脈沖[6-7]。

圖6 基于MPPT的蓄電池脈沖充電電路

4 仿真分析

4.1 MPPT 充電仿真

為驗證蓄電池初始階段MPPT 充電控制策略的可行性，在Matlab/Simulink 中對光伏系統蓄電池MPPT 充電階段進行仿真，采用電導增量法搭建的蓄電池MPPT 充電控制模型見圖7。其中光伏板特性曲線如前述圖2 所示，初始光照強度為1 000 W/m2，2 s 時光照強度受擾動變為500 W/m2，溫度恒定為25°C 不變，蓄電池選用12 V/20 Ah 的鉛酸蓄電池模型。

圖7 蓄電池MPPT充電控制模型

圖8 為MPPT 充電仿真結果。從圖8 可知，在MPPT 充電模式下，2 s 光照強度變化前后可計算得到蓄電池充電功率分別約為183 和94 W，對比圖2 中光伏電池特性曲線，可知光伏電池工作在最大功率點，從而驗證采用電導增量法實現MPPT 充電的可行性。

圖8 MPPT充電仿真結果

4.2 浮充與脈沖充電對比仿真

為對比蓄電池末期采用浮充充電和脈沖充電的控制效果，分別搭建浮充充電和脈沖充電控制策略圖如圖9 所示。

圖9 蓄電池浮充與脈沖充電控制策略

圖9(a)浮充充電控制采用將給定電壓13.2 V 與蓄電池采樣電壓進行PID 運算后輸出PWM，控制開關管Q1 的占空比，從而實現對蓄電池的浮充充電。圖9(b)脈沖充電設定給定電壓為13.6 V，同樣經過PID 運算后輸出PWM 控制開關管Q1通斷，Q1 占空比為可變值，脈沖電流大小由Q1 控制。脈沖周期與占空比由Q2 控制，占空比為80%，脈沖周期為1 s。

設定蓄電池末期的初始電池容量為90%，此時光伏系統蓄電池將進入浮充充電與脈沖充電模式。將圖7 中控制部分分別采用浮充充電與脈沖充電進行仿真，其余環境條件保持不變，得到仿真結果見圖10。

由圖10 仿真結果可知，從第二階段MPPT 模式退出后，第三階段脈沖充電模式下的電流5 A 大于浮充充電模式下的電流1.8 A，在仿真的4 s 時間內，脈沖充電下蓄電池容量增加0.22%，浮充充電下蓄電池容量增加0.07%，脈沖充電的充電電流和充電速度為浮充充電的三倍左右。因此與傳統的浮充充電方式相比，脈沖充電方式大大縮短蓄電池充電時間，有效地延長了蓄電池的壽命。

圖10 蓄電池浮充與脈沖充電仿真對比圖

5 結論

本文基于最大功率點跟蹤技術，提出一種蓄電池充電策略，能夠提高光伏發電效率，縮短蓄電池充電時間，并且延長蓄電池的使用壽命。在Simulink 中搭建光伏系統蓄電池充電仿真模型，分別對蓄電池初始階段MPPT 充電策略和后期脈沖充電策略進行仿真，驗證了本文充電控制策略的可行性。