基于STM32的光伏充放電控制器設計

溫宗周,費騰蛟,段俊瑞,趙建新,劉超,袁妮妮

(西安工程大學　電子信息學院,西安　710048)

基于STM32的光伏充放電控制器設計

溫宗周,費騰蛟,段俊瑞,趙建新,劉超,袁妮妮

(西安工程大學電子信息學院,西安710048)

在公用照明系統(tǒng)中,利用光伏陣列給鉛酸蓄電池充電,蓄電池為照明系統(tǒng)提供電能。為了保證此過程能夠高效合理的進行,設計一種基于STM32F407微處理器的光伏充放電控制器。根據(jù)蓄電池及光伏陣列的特性,利用電池容量檢測與MPPT(Maximum power point Tracking)技術,控制主電路為Boost電路。經(jīng)過實驗過程及結(jié)果的驗證,此控制器可以合理有效地控制蓄電池的充放電過程,提高光伏電能的利用率,最終照明系統(tǒng)達到了高效穩(wěn)定的工作狀態(tài)。

STM32F407;Boost;MPPT;PWM;電池容量檢測;模糊控制

引 言

為了更加高效地收集、存儲和利用太陽能,在公用照明系統(tǒng)的硬件設備中,采用的是獨立電源、Boost主控電路及控制器。在軟件設計中,主要目的是利用MPPT算法實現(xiàn)對太陽能轉(zhuǎn)化為電能的最大利用率,把收集來的電能存儲在蓄電池里,以供照明系統(tǒng)使用。目前以MPPT算法為基礎的控制策略各種各樣,各有利弊。本文針對以蓄電池儲能的獨立光伏照明系統(tǒng),考慮到設計的實現(xiàn)難易程度和經(jīng)濟成本的因素等,設計出了一種易實現(xiàn)、適應能力強、性價比高的充放電控制器。

1 硬件設計

1.1 硬件總體設計

充放電控制器的整體硬件電路主要由MCU控制電路、Boost主電路、控制驅(qū)動電路、前級與后級檢測電路、保護電路、電池容量檢測電路、隔離電路等組成。利用STM32F407微控制器去檢測光伏陣列和鉛酸蓄電池的大電流和強電壓必須使其轉(zhuǎn)換為安全的電氣參量,否則會直接燒壞主芯片,采用精密電阻分壓法,把強電壓值轉(zhuǎn)換成A/D模塊可接受的電壓量程范圍。為了實現(xiàn)對蓄電池充電過程的合理有效管控,提高光伏電能的利用率,本設計通過基于模糊控制的擾動觀察法去控制開關管通斷的PWM信號的輸出,如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)整體框圖

1.2 控制電路

控制電路由最小系統(tǒng)、檢測電路、負載控制電路、功率管驅(qū)動電路、CPU引腳電路等組成。

本系統(tǒng)的負載控制是控制路燈的亮滅,直接用口線控制三極管,再由三極管驅(qū)動MOS管來控制路燈回路。負載控制電路如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)負載控制電路

系統(tǒng)中共有三個功率管,其中一個控制開關的通斷由三極管驅(qū)動,另外兩個功率管接在系統(tǒng)充電電路中,需要通斷5 A以上的充電電流,所以采用兩片MAX4420驅(qū)動,功率開關驅(qū)動電路如圖3所示。

圖3 功率開關驅(qū)動電路

1.3 檢測電路

此系統(tǒng)的檢測電路有兩部分:通過前級的電壓電流檢測可以得到太陽能電池板的輸出功率,電壓檢測采用精密電阻分壓法進行采集,電壓檢測電路如圖4所示。

圖4 系統(tǒng)電壓檢測電路

通過經(jīng)DC-DC變換后的電壓電流的檢測可以得到給鉛酸蓄電池提供的充電電流及功率,電流檢測采用霍爾傳感器芯片采集電流信號,電流檢測電路如圖5所示。

1.4 電池容量檢測原理

在夜晚時,蓄電池給照明系統(tǒng)供電,蓄電池處于放電狀態(tài),為了防止蓄電池因過度放電而導致其壽命縮短或損壞,必須對蓄電池的放電電流進行實時的檢測,根據(jù)最小二乘法對放電電流和蓄電池容量擬合出的二次曲線關系,可以計算出其剩余容量:

圖5 系統(tǒng)電流檢測電路

式中Q0為額定容量;Q為當前剩余容量;Δti為以Ii電流放電的時間。

1.5 主電路原理

主電路采用升壓型Boost電路,是因為其工作電流可連續(xù),而且電路結(jié)構(gòu)簡單,更重要的是比其他電路具有更高的能量轉(zhuǎn)換效率,如圖6所示。

圖6 Boost電路

本系統(tǒng)的Boost電路選擇的開關管為N溝道增強型的MOSFET功率管,功耗小,適用于高頻電路,通過對MOSFET功率管的柵極G輸入PWM控制信號,即可控制功率管的通斷。電感L為Boost電路的緩沖元件,可以起到續(xù)電流和升電壓的作用,C1、C2為濾波電容,同時C2可以儲能供電,D為防反充二極管。Boost電路開關周期為T,占空比為D,0～DT時間內(nèi)Q導通,輸入電壓對電感L充電,電感L中的電流逐漸增大,DT～T時間內(nèi)Q關斷,電感L開始放電,電感兩端的電壓與輸入電源的電壓疊加,使輸出端產(chǎn)生高于輸入端的電壓,為鉛酸蓄電池充電。

1.6 保護電路設計

此設計中加入了保護,其中包括過充保護、過放保護、短路保護等。如果過度充電,將會導致蓄電池特性變差和容量降低,甚至損壞蓄電池。故在試驗中當采集到蓄電池端電壓大于15.0 V時,過充保護電路將自動斷開蓄電池與光伏陣列的連接。過放保護中,加入了電池容量檢測單元,當電池荷電狀態(tài)小于其10%時,則自動斷開蓄電池與負載的連接。

2 軟件設計

2.1 充電策略

完善而可靠的軟件設計可以讓硬件電路更加有效而穩(wěn)定的工作,充放電策略是軟件設計的靈魂。主程序流程圖如圖7所示。

圖7 主程序流程圖

充放電過程分為兩種情況:白天充電和夜晚放電。系統(tǒng)上電運行初始程序后,根據(jù)感光元件的判斷選擇運行程序。在MPPT階段中,控制器通過調(diào)節(jié)開關管Q的占空比D,使鉛酸蓄電池能夠接受到光伏電池的最大輸出功率為P。當充電電流大于過充終止電流時,選擇以定電壓的方式對蓄電池充電,同時繼續(xù)檢測蓄電池充電的電流。當充電電流低于額定電流的10%時,切換到浮充階段,浮充階段采用微高于蓄電池電壓的恒壓對蓄電池充電。

2.2 MPPT算法原理

在本設計當中,公共照明系統(tǒng)最易受到影響的因素是光照強度和溫度,負載特性基本穩(wěn)定,所以光伏陣列的輸出特性呈現(xiàn)出非線性特征,我們通過調(diào)節(jié)主電路即Boost電路中功率管的占空比D,從而控制光伏陣列給主電路的輸入電壓,最后達到主電路的輸出功率最大限度的跟蹤光伏陣列的輸出功率。

要使太陽能電板的輸出功率值始終保持在最大功率點上,需要用相應的控制算法來對最大功率點進行跟蹤,如定電壓跟蹤法、爬山法、電導增量法、自適應法和神經(jīng)網(wǎng)絡預測法等MPPT算法。例如,定電壓跟蹤法對環(huán)境變化的適應能力比較差,易產(chǎn)生大的功率損失,使系統(tǒng)的效率降低。其他的幾種方法也存在著不同的弊端。因此,提出一種基于模糊控制的擾動觀察法,根據(jù)光伏電池的輸出調(diào)整控制變量占空比D的步長,利用此方法系統(tǒng)可始終工作在最大功率點附近,此方法具有跟蹤簡單、易實現(xiàn)、普通傳感器即可等優(yōu)點。

基于模糊控制的擾動觀察法是依據(jù)當前時刻蓄電池的端電壓所對應的功率值,與前一時刻蓄電池的端電壓所對應的功率值的差值決定下一時刻的占空比變化量及變化方向。若輸出功率增加,占空比保持原來變化的方向,反之則取相反方向。當輸出功率在增大的方向變化較大時,則占空比的變化量也應做出同方向較大的變化。在達到最大功率點附近時,盡量保證系統(tǒng)穩(wěn)定工作,避免出現(xiàn)頻繁振蕩現(xiàn)象。

圖8 模糊控制原理圖

如圖8所示,模糊控制系統(tǒng)有兩個輸入變量,一個是蓄電池第n時刻與第(n-1)時刻的端電壓差值ΔUn,另一個是第(n-1)時刻的占空比的變化步長ΔDn-1,經(jīng)過模糊推理之后,最終模糊控制系統(tǒng)的輸出量為當前時刻的調(diào)整步長Dn。在圖8中,Dn和Dn-1為第n時刻和第(n-1)時刻的PWM占空比的值?？刂破麟妷弘娏鳒y試數(shù)據(jù)如表1所列。

表1

3 實驗驗證與分析

實驗采用東莞星火的SFM40的太陽能電池板,功率為40 W,蓄電池為松下閥控式鉛酸蓄電池,型號為LCRA127R2T1(12 V,14.4 Ah)。將Boost主電路板與太陽能充放電控制器連接,然后再與太陽能電池板和閥控鉛酸蓄電池相連接。經(jīng)實驗驗證,分別采用基于模糊控制擾動觀察法的充放電控制器和普通充放電控制器充電過程中各物理值如表1所列。測試時間上午11:00,光伏板開路電壓為21.5 V,光伏板短路電流為2.56 A,蓄電池開路電壓為12.45 V。

由表1的實際測量數(shù)據(jù)顯示,在充電過程中采用基于模糊控制的MPPT光伏充放電控制器較普通充放電控制器,能更好地實現(xiàn)充電過程。

4 實驗結(jié)論

由實驗數(shù)據(jù)可知,采用基于模糊控制的擾動

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Photovoltaic Charge and Discharge Controller Based on STM32

Wen Zongzhou,Fei Tengjiao,Duan Junrui,Zhao Jianxin,Liu Chao,Yuan Nini

(College of Electronics&Information,Xi'an Polytechnic University,Xi'an 710048,China)

In the public lighting system,the photovoltaic array is used to charge for the lead-acid battery,then the battery provides electrical energy for the lighting system.In order to guarantee the process efficient and reasonable,a photovoltaic charge and discharge controller based on microprocessor STM32F407 is designed.The properties of the battery and photovoltaic array,the battery capacity test and MPPT(maximum power point tracking)technologies are used.The control of main circuit is the Boost circuit.The experiment results show that the controller can control the battery charge and discharge process effectively,which improves the utilization rate of the photovoltaic power and lighting system,eventually achieves the stable and efficient working condition.

STM32F407;Boost;MPPT;PWM;battery capacity test;fuzzy control

TP29

A