一種基于MSP430單片機的光伏充電裝置設計

何偉琪　張威

【摘 要】設計了一種光伏充電裝置，實現了對48V20Ah鉛酸電池的光伏充電。設計的主電路基于分離元件的BOOST升壓電路，控制器選用MSP430F5529單片機。設計中考慮到光伏電池的功率輸出問題，研究了爬坡算法的實現方式，可使光伏電池能夠以最大的功率提供給后端變換電路。同時，依據鉛酸電池的物理特性，充電裝置在給蓄電池充電過程中采用了常用的三段充電策略，保證了充電安全和充電可靠性。該裝置可用于日常48V20Ah鉛酸電池的輔助充電，能夠延長電池組使用壽命，具有良好的應用前景。在實驗室對系統進行了測試和評估，從測試測試結果來看，該系統恒壓輸出滿足目標要求，充電效率維持在一個較高水平。

【關鍵詞】430單片機；BOOST升壓；光伏充電

0 引言

鉛酸電池常在無法提供充電電源的環境下工作，因此如何讓鉛酸電池在使用過程中進行小電流充電維護以期延長電池壽命是一個亟待解決的問題。針對這個問題，設計了基于MSP430單片機的光伏充電裝置，該裝置采用太陽能綠色能源對鉛酸電池進行連續小電流充電，解決了電池因長期虧電而損害鉛酸電池使用壽問題，實現了太陽能的有效利用，可用于日常48V20Ah鉛酸電池的輔助充電。

設計主電路采用BOOST DC-DC升壓電路，以MSP430F5529作為控制核心。控制策略中，研究了爬坡算法的實現方式，可使光伏電池能夠以最大的功率提供給后端變換電路。為了防止對鉛酸電池的過充和實現快速充電，采用了最大功率充電、穩壓充電和浮充的三段充電控制。設計中對BOOST升壓電路中用到的功率MOSFET、儲能電感、MOSFET驅動等元件進行選型，完成了硬件電路設計，并制作了一臺光伏充電裝置樣機。

1 總體設計

光伏充電裝置的核心是基于分離元件的BOOST升壓電路，控制器選用MSP430F5529單片機。對單片機編程實現爬坡算法和PI調節算法，實現鉛酸電池的最佳充電。外圍電路中，由運放構成電流、電壓的信號調理和檢測電路，輸出信號送單片機AD采樣接口。單片機的PWM輸出控制BOOST電路的開關管。系統組成框圖如圖1所示。

設計中所采用的光伏電池是常見的17.6V 20W光伏板。單塊光伏電池的輸出電壓太小，需要較大的BOOST升壓比，同時功率也不足，不夠提供給負載電池足夠的充電電流。因此，使用中采用兩節光伏電池串聯的方式，這樣保證了電池組的額定輸出電壓可以達到35.2V和40W的輸出功率，能夠提供最大1.1A的輸出電流。設計中所使用的鉛酸電池是48V20Ah，其容量為20Ah。根據上述應用環境，所設計的光伏充電裝置的最大充電電流為1A，可滿足鉛酸電池的小電流充電需求。

2 硬件設計

硬件選擇BOOST升壓電路作為充電裝置主電路，其損耗小，控制方便。考慮到鉛酸電池的內阻只有80毫歐左右，作為BOOST電路的負載，充電電流會有較大的沖擊電流，因此，在BOOST變換器的輸出端串聯了平波電感，可以有效抑制充電電流的脈沖沖擊電流，減小充電電流的紋波。

3 軟件設計

軟件設計基于輸出功率和電壓的雙閉環控制。其中，外環控制用于實時追蹤最大功率點，其控制策略采用的是爬坡算法，由爬坡算法計算出當前環境下的最大功率輸出點電壓，此時所計算出的電壓作為內環電壓PI控制的目標值。最后由AD采樣到輸入和輸出電壓、電流后用PI調節占空比輸出PWM波，實現最大功率跟蹤和恒壓、浮空充電。

4 實驗測試

實驗中采用了50V直流可調穩壓電源模擬光伏板輸入對樣機進行測試，分別測量了輸出電流、電壓，測量結果如表1所示。

從表中數據和計算結果來看，輸出電壓基本穩定在48V，充電裝置效率在85%以上。

5 結論

在實驗室對系統進行了測試和評估，從測試測試結果來看，該系統恒壓輸出滿足目標要求，充電效率維持在一個較高水平。在實際光照充足時，系統恒壓輸出，測量數據顯示充電裝置效率可以維持在91%；考慮到陽光不足時充電電流過小，因此當陽光不足時，充電裝置自動停止充電。該裝置可用于日常48V20Ah鉛酸電池的輔助充電，能夠延長電池組使用壽命，具有良好的應用前景。

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[責任編輯：楊玉潔]