基于P I C單片機的光伏控制器設(shè)計

南京信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院 張漢年 周望瑋 徐開軍

基于P I C單片機的光伏控制器設(shè)計

南京信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院 張漢年 周望瑋 徐開軍

本文設(shè)計并制作了一種基于PIC單片機的太陽能控制器，此系統(tǒng)由充放電電路、電壓采集電路、單片機控制電路和光耦驅(qū)動電路等組成。采用PWM（脈寬調(diào)制）控制技術(shù)來控制蓄電池充放電，通過控制MOSFET管開啟和關(guān)閉達到控制電池充放電的目的，測試結(jié)果證實該方案可靠、有效。

太陽能控制器；PIC單片機；設(shè)計

0 引言

利用太陽能發(fā)電解決無電地區(qū)的用電具有重大的戰(zhàn)略意義，為了更高效的利用太陽能，白天將太陽能轉(zhuǎn)化為電能，利用蓄電池將剩余的電能儲存起來，需要用電時即可由蓄電池供電。光伏控制器是有效控制太陽能發(fā)出的電向蓄電池充電、蓄電池向負(fù)載放電，使蓄電池工作在安全工作電壓、電流范圍內(nèi)工作的裝置，它的控制性能直接影響蓄電池使用壽命和系統(tǒng)效率。

1 系統(tǒng)功能介紹

本系統(tǒng)以PIC系列中的PIC16F883單片機為控制中心，利用分壓電路對蓄電池，太陽能電池的電壓、電流進行采樣。再經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換采樣數(shù)據(jù)輸入到單片機中進行處理。單片機輸出經(jīng)光耦驅(qū)動MOSFET管來控制外接電路開啟關(guān)閉。設(shè)計技術(shù)參數(shù)主要有：額定電壓12V、額定電流10A、允許太陽能最大開路電壓25V、允許太陽能充電最大電流12A、充電保護電壓14.4V、充電恢復(fù)電壓13V。系統(tǒng)總體設(shè)計框圖1如下所示。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

2 電路設(shè)計

2.1 主電路原理

光伏控制器主電路原理圖如圖2所示。光伏控制器主電路采用PWM串聯(lián)式充電主電路，用MOS管取代常用的防反充二極管，使充電回路的電壓損失較使用二極管時近乎減少一半，當(dāng)陰天或晚上蓄電池的電壓高于太陽能電池的電壓時，就可以關(guān)斷兩個MOS管，實現(xiàn)防反充。

圖2 光伏控制器充放電主電路

作為太陽能儲能用的蓄電池由于存在過放、過充、使用壽命短等問題，要選擇合適的充放電方式。本設(shè)計采用最容易實現(xiàn)的恒壓充電。蓄電池的電壓在10.8V-13.2V之間為快充，Q2、Q3為完全導(dǎo)通狀態(tài)，也就是導(dǎo)通的脈沖占空比最大；蓄電池的電壓在13.2V-14.4V之間為浮充，Q2、Q3導(dǎo)通與不導(dǎo)通的占空比例變小；蓄電池的電壓為14.4V時停止充電，Q2、Q3截止，充電停止。當(dāng)檢測到蓄電池的電壓低于10.8V，Q1、Q4關(guān)閉停止放電，關(guān)斷負(fù)載1、2輸出。

2.2 直流電壓和電流采集電路

直流電壓和電流采集主要用于采集當(dāng)前蓄電池兩端電壓和和充電電流，其電路原理如下圖3、4所示。

圖3 直流電壓采集原理圖

圖4 直流電流采集原理圖

3 單片機及其外圍電路

PIC16F883是系統(tǒng)控制核心，對系統(tǒng)設(shè)計起關(guān)鍵作用。單片機系統(tǒng)中RB0/RB1/RB2/RB3作為模擬輸入引腳，其中RB0為蓄電池電壓采集輸入信號，RB1為蓄電池充電電流采集輸入，RB2為太陽能電池板電壓采集輸入，RB3為蓄電池電流采集輸入，RB5作為電池選擇模擬采集輸入端，RB6、RB7作為在線調(diào)試時程序下載輸入端，RA0/RA1/ RA2/RA3 放電模式選擇輸入端，用于選擇不同的放電模式，共有16種模式。RA4、RA5作為串行顯示的控制輸出端，RC1作為PWM脈寬調(diào)制波的輸出，RC2/RC3/RC4作為其他三個MOS管的開關(guān)信號輸出端。

圖5 PIC16F883的硬件接口設(shè)計

4 控制器軟件設(shè)計

軟件是控制器的靈魂，直接決定控制器的性能指標(biāo)，其主要工作流程如下圖6、7所示。恒壓充電電壓VB-constant設(shè)定為14.4V（25oC），恒壓充電終止電壓VB-END設(shè)定為13.2V，浮充電壓VB-fl oating設(shè)定為13.2V。

圖6 主程序流程圖

圖7 蓄電池充電控制子程序流程圖

5 測試分析

測試所用的蓄電池規(guī)格：12V，20Ah。測試用到的儀器：萬能表，可調(diào)直流電源，示波器。測試的內(nèi)容：檢測蓄電池電壓低于10.8V時，控制器是否中斷放電電路；檢測蓄電池電壓在10.8V-14.4V是否PWM充電；檢測蓄電池電壓大于等于14.4V時控制器是否停止對蓄電池充電。測試結(jié)果證實控制器能夠正常充放電。而測試控制器功能（如過載保護等）是否達到設(shè)計要求，所用的方法是用一個穩(wěn)壓電源模擬蓄電池。測試結(jié)果證實了設(shè)計方案的正確性。

6 結(jié)論

光伏控制器是光伏發(fā)電系統(tǒng)中用以保護蓄電池過充或過放的電氣裝置，它的控制性能直接影響蓄電池使用壽命和系統(tǒng)效率。本文以PIC16F單片機為控制中心，采用軟硬件相結(jié)合的設(shè)計方法，實現(xiàn)了控制器MOS管的PWM控制，以及蓄電池的充、放電功能，實驗結(jié)果證實了方案的有效性。

[1]劉宏,吳達成．家用太陽能光伏電源系統(tǒng)[M]．北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2007．

[2]沈輝,曾祖勤．太陽能光伏發(fā)電技術(shù)[M]．北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2005．

[3]羅曉曙,閉金杰,楊日星,張露．AVR單片機的太陽能電池控制器設(shè)計[J]．現(xiàn)代電子技術(shù),2009(10):167-169．

[4]陳亞歡,羅曉曙,廖志賢 等．獨立光伏系統(tǒng)充放電控制器的研究與設(shè)計[J]．計算機測量與控制,2014(04):1806-1808．

[5]鄭偉,智勇,陳仕彬 等．基于MSP430的光伏控制器充電能量智能控制方法[J]． 微電機,2016(11):67-71．

[6]孫榮,高孫,德超．基于STC單片機的太陽能光伏控制器設(shè)計與實現(xiàn)[J]．測控技術(shù),2009(11):34-36．

張漢年（1975—），安徽無為人，副教授，主要研究方向：光伏發(fā)電與電力電子技術(shù)。

江蘇省高校“青藍工程”資助項目（蘇教師[2014]23號）；江蘇省“333工程”科研資助項目（蘇人才[2015]22號）。

周望瑋（1979—），江西吉水人，講師，主要研究方向：單片機數(shù)字控制技術(shù)。

徐開軍（1979—），河南信陽人，副教授，主要研究方向：現(xiàn)代控制理論。