太陽能充電控制器系統設計

潘鳳紅，蘭建軍，李宇

(1.吉林化工學院機械工程學院，吉林吉林132022；2.東北電力大學自動化工程學院，吉林吉林132012；3.吉林供電公司，吉林吉林132000)

太陽能充電控制器系統設計

潘鳳紅1，蘭建軍2，李宇3

(1.吉林化工學院機械工程學院，吉林吉林132022；2.東北電力大學自動化工程學院，吉林吉林132012；3.吉林供電公司，吉林吉林132000)

以太陽能LED照明系統為研究對象，在分析鉛酸電池充電原理和方法基礎上，介紹了以TL494為核心的太陽能充電控制器的工作原理及電路設計。同時針對鉛酸電池的浮充電壓需要根據溫度變化進行調整的特性，介紹了浮充電壓溫度補償原理和方法，給出溫度補償相對誤差曲線。最后對設計的充電控制器進行了實驗測試，結果表明，該太陽能LED照明系統滿足設計要求，溫度補償效果良好。

太陽能；LED照明系統；鉛酸電池；充電控制器；溫度補償

化石能源正隨著人類的不斷開發而面臨枯竭，利用光伏組件實現太陽能發電得到全世界的廣泛認同，同時，節能環保的LED照明技術也逐步應用于各種場合，特別是上述技術在實際應用中的成本大幅降低后，以太陽能供電的LED照明系統更是充分體現了新能源和新光源技術的完美結合[1－2]，對于構建環境友好型社會具有尤其重要的意義。目前，太陽能LED照明系統主要采用離網式光伏發電形式進行應用，白天，在控制電路的控制下，將光伏組件轉換得到的電能對蓄電池充電，夜間，LED利用蓄電池將存儲的電能實現照明。為了降低系統成本，實現光伏組件的高效利用，同時保證蓄電池的使用壽命。太陽能LED照明系統的核心設計任務是設計具有良好充放電控制策略的光伏發電控制器[2]。

本文以太陽能LED照明系統為研究對象，介紹了系統的基本組成結構，詳細說明了太陽能充電控制器的工作原理和實現方法，同時針對鉛酸電池充放電特性要求，重點闡述了充放電過程中溫度補償措施。最后對系統的工作性能進行了測試與分析，結果表明，設計的太陽能LED照明系統充電控制器性能良好，可根據溫度變化進行充電策略調整。

1 系統結構與原理

1.1 系統組成結構

太陽能LED照明系統的系統結構框圖如圖1所示，系統主要包含光伏組件、控制器、蓄電池、DC-DC變換電路等部分組成。利用光伏組件將太陽能轉化為電能，通過充電控制器對蓄電池進行充電控制，將太陽能轉換成電能后存儲在蓄電池中。DC-DC變換電路將電壓轉換成各種設備所需的工作電壓，以滿足LED照明系統和各種便攜式電子產品的電能需求。本系統中的光伏組件輸出21 V電壓，蓄電池為2個鉛酸電池并聯，參數為12 V/7 Ah。LED照明系統驅動電路輸入9 V，260mA供電。

1.2 鉛酸電池充電技術

由于太陽能發電受天氣和周圍環境因素影響較大，通常太陽電池無法提供充足的電能，因此利用太陽電池進行充電的方式和其他形式的充電方式不同。太陽能充電技術的主要目標是在保證蓄電池壽命的前提下，盡可能的將太陽能轉換成電能。在考慮蓄電池壽命方面，通常都以最低析氣率為前提，較為認同的基本原理是按照馬斯提出的蓄電池馬斯充電曲線進行充電。依據上述原理，目前較為常用的充電控制方式有恒壓充電、恒流充電、兩階段充電等[3－4]。對于利用太陽能對鉛酸蓄電池的充電方案，選擇恒壓限流充電方案是較為簡單和可行的方案。

圖1 太陽能LED照明系統結構框圖

2 充電控制器設計

充電控制器的核心芯片采用德州儀器公司的脈沖寬度調制(PWM)控制器TL494，其是一種固定頻率脈寬調制電路，內部包含了開關電源控制所需的全部功能，可應用于單端正激雙管式、半橋式、全橋式開關電源中。

2.1 開關頻率計算

其內置的線性鋸齒波振蕩器振蕩頻率fosc可通過外部的電阻RT和電容CT進行調節，振蕩頻率計算公式如式(1)所示，本次使用的電阻和電容參數分別為12 k W和0.01m F，所以振蕩頻率設定為10 kHz附近。

2.2 充電電壓控制

根據蓄電池生產廠家提供的技術手冊中可知，在25℃條件下，單體電池充電電壓不應超過2.30 V，本次限定為2.25 V，所以鉛酸電池充電電壓設定為13.30 V。

TL494內置一個5.0 V的基準電壓源Vref，使用外置偏置電路時，可提供高達10mA的負載電流，在典型的0～70℃溫度范圍50mV溫漂條件下，該基準電壓源能提供±5%的精確度。利用該基準電源信號作為內部PWM反饋比較器的反向輸入端(2腳，1IN-)信號，充電控制器輸出電壓，經過Rf1和Rf2構成的分壓電路后進行電壓反饋，反饋電壓信號送入TL494比較器的同相輸入端(1腳1IN+)。TL494根據比較器的輸出調節PWM控制器的占空比，保證電壓跟隨電壓輸出設定值，具體的充電控制器電路原理圖如圖2所示。

圖2 充電控制器電路原理圖

2.3 充電電流限制

充電控制電路給蓄電池充電時，需要進行充電電流控制，同時還需要進行過流保護。TL494具有電流檢測控制功能，可以在充電電壓輸出負端和電壓輸入負端之間通過一個0.1W電阻進行電流采樣，該電阻上的電壓被接入到16腳，調整15腳上的電阻大小就可以控制輸出最大電流，最大電流IMAX的計算公式可如式(2)所示。

2.4 浮充電壓溫度補償

當鉛酸電池處于充滿狀態后，為了補充電池自放電的容量損失，同時抑制電池板柵的腐蝕，延長電池壽命，需要對電池進行浮充。現有的蓄電池浮充電壓標準都是在25℃溫度下給定的。溫差超過10℃時，必須修正浮充電壓，否則將對電池造成損傷。電池溫度每升高/降低1℃，浮充電壓應降低/升高0.003 V/單格，本次使用的鉛酸電池電壓調整率為0.003 V× 6/℃。因此可用相關的溫度自動補償電路[5]，實現浮充電壓根據電池溫度自動調整。因此可將充電控制器分壓電路的輸出經過溫度補償電路后再送入TL494反饋端，設計的溫度補償電路如圖3所示。

圖3 溫度自動補償電路

其中Rt是分度號為PT100鉑熱電阻，這樣，輸入電壓Vi和輸出電壓Vo之間的關系如式(3)所示。當蓄電池溫度升高時，輸出電壓Vo隨Rt值增加而增加，送入TL494反饋端后，調節占空比，從而使充電控制器輸出電壓降低。

3 系統測試與效果分析

為了驗證本次設計方案的可行性和實際效果，按照上述電路進行了實際效果測試。當充電控制器設定輸出電壓為13.30 V時，無溫度補償時的充電控制器輸出電壓數據如表1所示。

為了保證蓄電池溫度變化后，浮充電壓能夠根據溫度自動調整，首先依據Pt100分度表繪制了0～50℃范圍內熱電阻阻值隨溫度變化曲線，曲線如圖4所示，依據分度曲線對溫度補償電路的參數進行了設置，其中，R2=R3=190Ω，R1=109Ω，可分別用電位器實現。依據上述參數，對溫度補償相對誤差進行了曲線擬合，補償相對誤差曲線如圖5所示，根據曲線可知溫度補償結果完全滿足誤差要求。

圖4 0～50℃溫度下Pt100阻值變化曲線

圖5 溫度補償相對誤差曲線

4 結論

為了利用太陽能實現LED照明系統的能源供應，在分析和介紹太陽能LED照明系統的系統結構和工作原理后，利用TL494為核心芯片進行了太陽能充電控制器的電路設計，提出了浮充電壓溫度補償方法和原理，依據鉑熱電阻的溫度變化曲線進行了溫度補償效果分析，太陽能充電控制器的實驗結果表明，設計的控制器可以可靠的實現LED照明系統中的電池充電，方案效果良好。

[1]白林.太陽能LED路燈智能控制系統技術研究[D].黑龍江：大慶石油學院，2009.

[2]徐敏銳，黃奇峰，王忠東，等.一種太陽能供電LED照明系統中充電控制器設計[J].電源技術，2014，38(4)：706-708.

[3]盧漢輝.蓄電池組充電管理系統關鍵技術的研究[D].上海：上海交通大學，2007.

[4]趙禹唐，王希業.蓄電池充電技術[J].電源技術，2001，25(5)：375-377.

[5]吾布力.自動溫度補償電路的一種實現電路[J].新疆石油學院學報，2002，14(1)：68-71.

Design of solarenergy charge controller system

PAN Feng-hong1，LAN Jian-jun2，LIYu3
(1.School ofMechatronics Engineering，Jilin Institute ofChem ical Technology，Jilin Jilin 132022，China;2.School ofAutomation Engineering，NortheastDianliUniversity，Jilin Jilin 132012，China;3.Jilin Electtric PowerCompany，Jilin Jilin 132000，China)

Using the LED lighting system powered by solar energy as the research object，based on the analysis of lead-acid battery charging principle and method，the solar charge controller work principle and circuit design using TL494 as the core were introduced.In accordance w ith the characteristics of lead-acid battery’s float charging pressure need of adjustment according to different tem perature，the float charging voltage tem perature com pensation principle and method were introduced and temperature compensation relative error curve was given.The experiments of the designed charge controllerwere carried on.The results show that the solar LED lighting system meets the design requirements and the tem perature com pensation effect is good.

solar energy;LED lighting system;lead-acid batteries;charge controller;tem perature compensation

TM 914

A

1002-087 X(2016)07-1460-02

2015-12-03

國家自然科學基金資助項目(61304013)

潘鳳紅(1982—)，女，江蘇省人，碩士，講師，主要研究方向為新能源發電和智能測控裝置的教學與科研。