基于PIC微控制器的獨立光伏快速充電器設計

苗鳳娟，劉統凱，陶佰睿，安子建，王 喆

(1.齊齊哈爾大學通信與電子工程學院，黑龍江齊齊哈爾161000；2.西安電子科技大學電子工程學院，陜西西安710000)

基于PIC微控制器的獨立光伏快速充電器設計

苗鳳娟1，劉統凱1，陶佰睿1，安子建2，王 喆1

(1.齊齊哈爾大學通信與電子工程學院，黑龍江齊齊哈爾161000；2.西安電子科技大學電子工程學院，陜西西安710000)

最大功率點跟蹤(MPPT)技術是通過調整光伏電池工作點從而最大化發揮太陽電池效率的一項關鍵技術。設計了一種具有MPPT功能的獨立光伏快速充電器，主電路為Buck電路，控制電路主控芯片選用PIC單片機。MPPT算法采用一種改進型擾動觀測法并對其進行了驗證，同時對蓄電池進行了充電測試。充電完成時間與充電后蓄電池荷電狀態表明所設計的充電器可高效、穩定工作，經過改進，可對遠離電網的多種野外用電設備蓄電池進行充電。

獨立光伏系統；充電器；PIC；最大功率點跟蹤

在遠離電網地處偏僻地區或拉線不方便等情況下，太陽能供電成為野外設備供電的一種重要方案。由于日光的不連續性，對于功耗一定的用電設備，提高光伏電池利用率不僅可減少電池板面積、降低成本，同時可大大增強供電的可靠性。最大功率點跟蹤(MPPT)技術能有效提高光伏電池利用率，技術方法很多，各種控制方法各有其優缺點。由于算法復雜度、實現難易度等因素，擾動觀測法是被研究最多、工程應用最為廣泛的方法[1-3]。針對傳統擾動觀測法存在的缺陷，本文應用一種改進型擾動觀測法設計了一種獨立光伏快速充電器，并對MPPT算法進行了驗證，對蓄電池進行了充電測試。

1 系統設計

系統組成包括光伏電池板、充電控制器和蓄電池。圖1給出了系統組成框圖，充電控制器主要由以下部分組成：

(1)DC/DC變換器：根據系統規格選用降壓電路(Buck)，由MOSFET、續流二極管、輸出濾波電感、濾波電容組成。

圖1 系統組成框圖

(2)MOSFET驅動電路：選用MOSFET驅動芯片IR2117，將來自單片機的PWM信號進行放大處理后控制MOSFET的開關。

(3)傳感器電路：檢測范圍包括光伏電池的輸出電壓、電流，蓄電池的電壓、電流和蓄電池的溫度。

(4)單片機：包含單片機和外圍電路以及控制算法。

2 硬件設計

2.1 主電路設計

主電路選用Buck電路，Buck電路不僅結構簡單、容易控制而且轉換效率較高，經常用于太陽電池MPPT、光伏直流電機控制等。光伏陣列輸出端并聯電容可保證光伏電池輸出電流的連續性，負載端電容在MOSFET關斷時有利于保持負載電流電壓。改變開關占空比的方式有PWM、PFM和二者混合調制，在設計中選用PWM方式。微控制器通過采集光伏電池工作電壓電流，比較擾動前后功率變化，通過MPPT算法產生PWM控制脈沖來調節Buck電路的開關占空比，從而調節光伏電池工作點，實現最大功率點跟蹤。圖2為主電路拓撲圖。

圖2 太陽能充電器主電路拓撲

2.2 單片機最小系統

控制系統選用具有高性能RISC CPU的快速單片機PIC16F877作為核心處理芯片，該芯片最多可接受14個中斷源，具有模數轉換器，最多可輸入8個模擬量，具有CCP(capture/compare/pwm)模塊。太陽電池板輸出電壓、電流，蓄電池電壓、充電電流與溫度信息分別通過模擬量輸入端口RA0、RA1、RA2、RA3、RE0進行采集。溫度傳感器選用LM35D，其輸出電壓與溫度呈線性關系，使其工作于單電源供電模式。單片機對采集到的參數信息進行運算，通過CCP模塊產生PWM調節Buck電路占空比，從而實現最大功率跟蹤與蓄電池充電控制。圖3為單片機最小系統電路圖。

圖3 單片機最小系統電路

2.3 MOSFET驅動電路設計

作為控制電路與主電路之間的橋梁，驅動電路對整個系統的性能具有重要作用，設計良好的驅動電路能夠縮短開關時間、提高運行效率和可靠性。設計中采用了美國IR公司生產的驅動單個MOSFET或IGBT的專用集成芯片IR2117，該芯片為八引腳雙列直插式，內部集成有施密特觸發器、脈沖增益電路、欠壓檢測及保護電路、脈沖濾波器等。來自PIC單片機的控制脈沖經由施密特整形后由增益電路進行放大，然后經過電平移位匹配、觸發后通過互補推挽輸出級輸出。圖4為IR2117與Buck電路連接圖。

圖4 MOSFET驅動電路

3 系統軟件設計

圖5為充電控制流程圖。蓄電池的充電狀態通常可用蓄電池端電壓表現，因此蓄電池端電壓被用來判斷蓄電池是否需要最大限度獲得光伏電池板能量。在充電過程中不斷檢測蓄電池端電壓和充電電流，若充電電流Ic大于設定充電限制電流Ilim，則減小占空比，控制充電電流大小。若充電電流小于限制電流，則將蓄電池端電壓Vbat與設定電壓值Vmax比較，若超出設定電壓，則需要調整占空比減小充電電壓；若在限定值之內則進行最大功率點跟蹤，增大光伏電池輸出功率。大約70%的電池容量是在大電流快充階段恢復，小電流補足充電恢復蓄電池全部容量。停充控制選用溫度控制法，蓄電池在未充滿電狀態時溫度變化不明顯，一旦蓄電池過充，溫度會迅速上升，當兩個采樣周期溫度差值大于設定額定值時便結束充電。蓄電池由大電流轉為小電流充電時，光伏電池工作電壓若在最大功率點右側，則最初輸出功率可能會隨著占空比減小反而升高，此時用大步長迅速減小光伏電池板工作點電壓，使其電壓工作于最大功率點左側，然后用小步長調節電流大小。

圖5 充電控制流程

光伏電池的P-U曲線最大功率點附近可近似看做一小段正弦波波峰，最大功率點左側曲線可近似看做斜率為正的一條直線，最大功率點右側部分可近似看做斜率為負的一條直線。那么變化的步長可表示為：ΔU(k+1)=M|ΔP(k)/ΔU(k)|，比例系數M為一常數，取值由系統特性決定。當ΔP(k)/ΔU(k)變化較小時，功率變化由擾動引起；當ΔP(k)/ΔU(k)變化較大時，功率變化主要由環境因素決定，此時加大步長能有效提高動態響應速度。MPPT控制流程如圖6所示。ΔP＜A表示功率變化小于判定值A，可認為工作于最大功率點而不改變工作電壓。

圖6 MPPT控制流程

4 算法驗證與充電測試

MPPT算法驗證：用了1 W、5 V的太陽電池板，負載為兩節串聯鋰電池，開關頻率50 kHz。從圖7可以看出未啟用MPPC時電壓高而功率與電流較小，啟用MPPC后功率與電流明顯提升，而電壓有所下降。

圖7 MPPT算法驗證測試

蓄電池充電測試：光伏電池選用50 W多晶硅太陽電池板，開路電壓22 V，轉換效率17%。蓄電池選用12 V 14 Ah鉛酸免維護電池。測試當天晴朗無云，從中午10點開始對蓄電池進行空負載充電，對蓄電池端電壓進行檢測，圖8顯示了充電過程中蓄電池端電壓變化情況。充電完成時蓄電池端電壓為14.4 V，靜置一段時間后，蓄電池端電壓下降到12.6 V，基本達到滿荷電狀態。

圖8 充電過程蓄電池端電壓變化曲線

5 結語

對MPPT算法的驗證說明了該算法設計合理，可顯著提高光伏電池效率，獲得更多電量。對蓄電池的充電測試表明該光伏充電系統工作穩定可靠，相對于沒有MPPT功能的充電器，可以更快完成對蓄電池的充電。該充電系統成本低，具有一定的實用和推廣價值，可應用于野外監測、通信等多種用電設備的蓄電池充電。

[1]KARAMI N,MOUBAYED N,OUTBIB R.Analysis and implementation of an adaptative PV based battery floating charger[J]. Solar Energy,2012,86:2383-2396.

[2]宋亮，王曉東，劉雯，等.光伏電池MPPT擾動觀察法的研究現狀[J].半導體光電，2012，33(4)：455-462.

[3]LIU X,LOPES L A C.An improved perturbation and observation maximum power point tracking algorithm for PV arrays[J].Power Electronics Specialists Conference,2004(3):2005-2010.

Design of stand-alone photovoltaic quick charger based on PIC microcontroller

MIAO Feng-juan1,LIU Tong-kai1,TAO Bai-rui1,AN Zi-jian2,WANG Zhe1
(1.School of Communication and Electronic Engineering,Qiqihar University,Qiqihaer Heilongjiang 161000,China;2.School of Electronic Engineering,Xi'an University of Electronic Science and Technology,Xi'an Shanxi 710000,China)

Maximum power point tracking(MPPT)is a key technology of modulating working point of the solar panels to obtain maximum power.A stand-alone PV quick charger with MPPT was designed.A Buck circuit and PIC single chip microcomputer were used as main circuit and main control chip in control circuit.A kind of improved perturb and observe algorithm was used and validated, and the battery charging was tested. The charging time and SOC demonstrate the system efficiently and steadily operates,and it can be used to charge various electrical equipment batteries away from the grid after improved.

stand-alone photovoltaic system;charger;PIC;MPPT

TM 914

A

1002-087 X(2015)08-1736-03

2015-01-20

國家自然科學基金(61204127)；黑龍江省自然科學基金 (F201332)；黑龍江省普通高等學校新世紀優秀人才培養計劃(1253-NECT025)

苗鳳娟(1982－)，女，黑龍江省人，博士，副教授，主要研究方向為微傳感器技術、無線傳感網絡、新能源器件。