太陽能車棚電池充電設計

高巧梅 劉軍 孔俊麗 王曉云 劉澤方

中國礦業大學（北京）機電與信息工程學院

太陽能車棚電池充電設計

高巧梅 劉軍 孔俊麗 王曉云 劉澤方

中國礦業大學（北京）機電與信息工程學院

太陽能作為一種可再生能源，具有潔凈無污染，可持續利用的優點，而光伏發電成為其中重要的研究領域。本文對太陽能校園車棚進行了探討，當光照強度達到一定強度時，太陽能光伏陣列輸出功率，把電能儲存到蓄電池中，給直流負載供電或經過逆變器給交流負載供電，當太陽能光照強度較弱，切入市電直接進行供電，以實現給自行車充電，報警等功能。主要對本文重點對buck電路實現最大功率跟蹤控制，完成蓄電池的充電的過程進行了設計。本太陽能綠色車棚充分地利用了自給自足的特性，該項目的建設有利于推動綠色校園的建設和環保理念的推廣，同時符合國家節約能源，大力發展可再生能源的政策。

太陽能；光伏發電；逆變器；最大功率跟蹤

引言

當前世界能源短缺和環境污染問題日益嚴重，人們對環境保護問題的重視程度也在不斷的提高，人們期望改變現有的能源結構，尋找新的替代能源。現在利用新能源[1-2]已是當前迫切的任務了，由于極端氣候的出現，降低碳排放量也迫使人們更加努力的尋找和開發新能源。太陽能資源[3-4]是最豐富的可再生能源之一，是國際上公認的理想替代能源。太陽能以其獨有的無污染、可再生利用、取之不盡、用之不竭的優點成為人類利用的重點。越來越多的國家開始實行“陽光計劃”，開發利用太陽能資源進行發電發熱。

1.工程基本情況

太陽能車棚可設置在校園內，利用光伏發電系統[5-10]實現了為車棚提供照明、監控等功能。該設計綜合考慮了經濟性和校園效益等因素，節約能源，沒有污染物排放，不消耗任何燃料，綠色環保，符合當前的綠色發展狀況，積極響應了國家節能減排的號召，符合國家推進新能源產業的政策，爭取為加快推進太陽能光電技術在城市建筑領域的應用做出貢獻。

2.太陽能校園車棚方案設計

本項目光伏發電依照：1)本發電系統是綠色車棚光伏發電系統；2)本光伏發電系統僅用于給車棚系統供電，所發電力不用于并網送電；3)設計應以“系統安全可靠，投資省，發電潔凈無污染”為原則進行設計。該光伏發電系統主要由太陽能光伏電池板(組件)，逆變器，控制器，蓄電池等設備組成，其中核心部件是太陽能光伏電池板(組件)，逆變器。車棚引入市電供電系統，遇到陰天等太陽能光照強度較弱的天氣情況時，可直接利用市電進行充電用電。其系統結構如圖1：

圖1 光伏發電系統結構圖

3.蓄電池，電池板及逆變器的選擇

太陽能電池發電對所用蓄電池組的基本要求是：a.自放電率低；b.使用壽命長；c.深放電能力強；d.充電效率高；e.少維護或免維護；f.工作溫度范圍寬；g.價格低廉。其作用是貯存太陽能電池方陣受光照時發出的電能并可隨時向負載供電。所以選用鉛酸電池可以滿足要求，根據實際情況調查，選用兩組12V，150AH蓄電池共10個，即1500AH。則電池板選擇四塊12V/520W電池板共計：1040W。

為了實現給電動自行車充電，需要將太陽能發電系統所發出的直流電能轉換成交流電能，因此需要使用 DC- AC 逆變器。由于太陽能電池和蓄電池是直流電源，而負載有交流負載，則逆變器是必不可少的。逆變器按輸出波形可分為方波逆變器和正弦波逆變器。方波逆變器電路簡單，造價低，但諧波分量大，一般用于幾百瓦以下和對諧波要求不高的系統。正弦波逆變器成本高，但可以適用于各種負載。故本設計中選擇正弦波逆變器。

4 DC/DC變換給蓄電池充電設計

4.1 主電路的設計

主電路采用BUCK電路，其輸入電壓為48V，輸出電壓為 12V，如圖2所示。

圖2 主電路圖

從圖中可以看到，PWM波的高低電平直接控制三極管Q1的通斷，當PWM波處于高電平時，由于三極管的基極電壓高于發射極電壓，在電源VCC作用下，三極管處于導通工作狀態，致使功率場效應管Q2的柵極接地，低于源極電壓，Q2處于導通狀態，電源電壓加到蓄電池兩端，開始充電；而當PWM波處于低電平時，由于三極管的基極端為低電平，三極管處于截止狀態，致使功率場效應管Q2的柵極直接與電源相連，Q2處于斷開狀態，蓄電池兩端充電電壓消失，實現間斷充電。通過Q2的導通和關斷實現電壓的間歇通斷，后接電感使得充電電流處于逐級遞減的狀態。另外由于電源的頻繁通斷，為了減少干擾，在后面需要濾波電路和保護電路。

4.2 主控單元系統設計

系統整體框圖如圖3。

圖3 系統整體框圖

系統使用Atmega 8單片機，是一種高性能，低功耗的8位AVR微處理器。可采用高達16 MHz的晶振頻率，3通道PWM，通過輸出比較單元，4種工作模式可滿足不同場合下PWM波形的產生。同時，8路10位ADC轉換，能很好地用于充電過程中充電電流和電壓的監控，實時反饋并改變充電電壓的大小和通斷，達到很好的控制效果。

PWM波形的控制方式采用快速PWM模式，產生高頻PWM波形。這種模式下，PWM波形產生使用單邊斜坡工作方式，相比其他模式工作頻率提高一倍。在充電的過程中還需要對蓄電池的實時電壓和電流進行采集，將采集數據經過ADC轉換送入單片機中，實現反饋控制，通過實時電壓電流與標準電壓電流的比較，不斷調整PWM波形。采集電路見圖4。

圖4 充電電流采樣電路

圖中R1為標準電阻，通過差分放大電路，將充電電流大小傳輸回MCU。差分放大電路有很強的共模抑制能力和較小的輸出漂移電壓，能精確測量R1兩端電壓值的大小，從而得到充電電流的大小。

4.3 最大功率跟蹤控制

最大功率點跟蹤的目的是將光伏電池組件產生的最大功率及時提供給負載，使太陽能系統的能量利用效率盡可能提高。在實際應用中，通過對當前光伏陣列的輸出電流和電壓的檢測，得到當前陣列輸出功率，再與前一時刻光伏陣列的輸出功率相比較，向功率增大的方向不間斷的檢測，便可使光伏陣列動態地工作在最大功率點上，控制框圖如圖5所示。

圖5 MPPT控制系統實現

4.4 蓄電池充電方式設計

在太陽能光伏發電系統中，綜合考慮日照強度以及環境溫度對光伏系統充電電流的影響、鉛酸蓄電池性能以及系統成本等因素，本論文采用四階段充電法充電，由于較好地使用涓流及浮充充電模式，從而使蓄電池的容量達到額定值，延長其壽命。

4階段充電(圖6)狀態如下：

（1）涓流充電

涓流充電是為了防止充電時大電流灌入蓄電池，超過蓄電池初始充電電流值，造成蓄電池的損壞。涓流充電原理是：充電時設定一個充電使能電壓UT，當蓄電池的端電壓低于UT時，光伏控制器將提供一個很小的電流IT對蓄電池進行充電。隨著涓流充電狀態的進行，鉛酸蓄電池的端電壓會逐漸升高，如果蓄電池端電壓值達到UT，充電器將進入第二個充電階段，即恒流充電狀態。如果充電之初，蓄電池的端電壓已經高于UT，充電器將直接進入恒流充電階段，不再經過涓流充電階段。

（2）恒流充電

恒流充電階段也是快速充電階段，在恒流充電期間，充電器提供一個恒定的電流IBULK給蓄電池充電，此時蓄電池容量快速增加，容量變化的同時，蓄電池的電壓將會不斷上升，如果蓄電池端電壓達到設定的過壓充電電壓UOC，蓄電池充電就轉入過壓充電狀態。

（3）恒壓充電

恒壓充電階段期間充電電壓UOC不變，并稍高于蓄電池的額定電壓，這樣可以使蓄電池容量最后達到飽和，此時充電電流逐漸減小，如果充電電流減小到過充終止電流IOCT，表明蓄電池已被充滿，充電模式已經轉入浮充狀態。

（4）浮充充電

浮充電壓略低于UOC，浮充充電就是提供一個恒定的帶有溫度補償的浮充電壓UF 給蓄電池充電，來保持蓄電池容量不變，浮充階段會一直提供很小的浮充電流，用以彌補蓄電池由于自身放電造成的能量損失。此后，如果蓄電池端電壓下降到UOC的 90%，充電器就會自動進入恒充或涓充狀態。

圖6 四階段充電圖

5 結語

太陽能是一種極為豐富并可再生的清潔綠色能源。太陽能光伏發電是最有應用前景的太陽能利用方式。本文通過軟件方式實現了 PWM方式的蓄電池充電， 各個功能部件均由常見的元件構成， 測試環境容易構建。該項目的建設有利于推動綠色校園的建設和環保理念的推廣，同時符合國家節約能源，大力發展可再生能源的政策。

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10.3969/j.issn.1001-8972.2012.08.086