基于ARM的獨立型光伏充電系統研究

趙 希

（國網徐州供電公司）

基于ARM的獨立型光伏充電系統研究

趙 希

（國網徐州供電公司）

光伏系統目前的主要問題是電池的轉換效率低且價格昂貴，因此如何在現有的光電轉換技術的基礎上，進一步提高太陽能電池的轉換效率，充分利用光伏陣列所轉換的能量，一直是光伏系統研究的重要方向。本文從太陽能電池的特性出發，對于如何提高太陽能電池的能量轉換效率，進行了有益的探討，設計了基于ARM的儲能型獨立光伏發電系統的軟硬件部分。主要包括電源模塊、信號采集模塊、A/D模塊、PWM驅動模塊。在總結分析已有的蓄電池充電方法的前提下，針對光伏系統提出了一種結合MPPT和蓄電池充電的優化控制策略，并對實驗數據進行了分析。

ARM；優化充電；獨立光伏系統

0 引言

由于光伏電池呈現非線性特性，輸出容易受到太陽光輻射和環境溫度的影響。通過常規的充電方法如恒壓、恒流和脈沖充電等都不能滿足系統的需求。系統主要實現的目標不僅在充電過程中最大限度地利用光伏陣列的輸出功率，而且要合理充電以減少充電損耗并延長蓄電池的壽命。

對儲能型獨立光伏發電系統進行較為深入的研究，以移植了VxWorks操作系統內核的S3C44B0x嵌入式微處理器進行控制。嵌入式微處理器具有體積小、重量輕、成本低、可靠性高等優點，目前主要的嵌入式處理器類型有ARM、MIPS、Power PC、6800、386EX、SC-400系列等，其中ARM應用范圍最廣泛。基于ARM內核的處理器以其諸多優異性能而成為各類產品中選用最多的處理器之一，以32位處理器作為高性能嵌入式系統開發的核心已經是嵌入式技術發展的必然趨勢。

本文對儲能型獨立光伏發電系統的軟硬件部分進行了設計。在研究蓄電池各類充電方法的基礎上，提出了一種結合蓄電池充電和MPPT功能的優化充電方法。在Tornado集成開發環境中編寫應用程序并進行調試。

1 系統軟硬件設計

本節的主要內容是設計儲能型獨立光伏發電系統的充電回路，并進行軟硬件部分的設計。其中DC-DC電路選用Cuk電路，這里就不在贅述。系統整體結構框圖如圖1所示。硬件設計主要包括如下模塊：電源模塊、信號采集模塊、LCD顯示模塊、A/D模塊及其PWM驅動模塊。控制部分采用S3C44B0x內核芯片。

圖1 系統硬件結構框圖

外圍電路主要包括電源模塊、信號采集模塊、MOS管驅動模塊和TL494穩壓模塊。

1.1 電源模塊

電源模塊的作用是為外圍電路的芯片器件提供電源。由于在外圍電路中需要用到傳感器和74系列元件，所以在電源模塊中包含了MC7805、7815和7915穩壓模塊，如圖2所示。這里要注意濾波電解電容的極性連接問題。220V的電壓經過變壓器后接至J1插座，然后經過整流橋接到穩壓模塊的輸入端。

圖2 電源模塊

1.2 信號采集模塊

信號采集模塊的作用為測量光伏電池側的電壓和電流、蓄電池側的電壓和電流信號。然后將采集的信號送到S3C44B0x的A/D模塊而后進行處理。電壓信號可以采用簡單的電阻分壓來采集。但是對于蓄電池側而言，由于參考地的問題蓄電池側的電壓為一浮動電壓，所以不能采用電阻分壓進行采集。為了解決這個問題，需用到電壓傳感器。電流信號的采集主要依靠電流傳感器。因為A/D采集信號的范圍為0～2.5V。光伏電池的開路電壓為21.6V，為了滿足A/D采樣的范圍要求，光伏電池電壓需要通過10kΩ和1kΩ電阻進行分壓。

接于蓄電池側的電壓傳感器的連線方式如圖3所示。

圖3 電壓傳感器的連接方式

1.3 PWM生成和MOS管驅動模塊

PWM波通過S3C44B0x的PWM定時器編程產生。兩片TL494需要2路控制信號，其控制信號從S3C44B0x的I/O端口輸出。兩片TL494的輸出信號通過或門74HC32進行或運算，相比于或門74LS32，采用74HC32或門的優點在于其是CMOS器件并且兼容TTL電平，或運算的輸出與PWM波又進行一次或運算。然后或運算輸出信號接到驅動模塊IR2110的輸入端。下面對MOS管驅動芯片IR2110[1-2]進行介紹。

IR2110的具體應用電路如圖4所示。

圖4 IR2110的具體應用

1.4 TL494脈寬調制電路

TL494是一種固定頻率脈寬調制電路，它包含了開關電源控制所需的全部功能，廣泛應用于半橋式、全橋式開關電源。TL494用在充電回路中作用是控制第二階段和第三階段的恒壓充電過程。

由于第二階段蓄電池恒壓充電電壓范圍為14.4～15V，本文取為15V。為了將其轉換成A/D采樣范圍內的電壓值，需要經過圖5所示的電路進行轉換。

圖5 蓄電池電壓采集與轉換電路

電壓傳感器HNV025A輸出二次電壓Ui連到TL494的1腳。假設蓄電池電壓為U，一次外接電阻和內阻之和為1.3+0.2=1.5kΩ。一次電流和二次電流比為2500：1000，二次電阻值為200Ω。所以從3端輸出的電壓值為：U／1.5×103×2.5×200 = U／3，LM324的作用是將 U／3的電壓1/2分壓后然后送到A/D采樣端，目的是為了滿足A/D轉換器0～2.5V輸入電壓范圍。

2 蓄電池充電

下面介紹蓄電池充電的普通常規充電方法，在此基礎上提出一種全新的結合MPPT和蓄電池充電的控制策略。

2.1 恒流充電

恒流充電[3]是用分段恒流的方法進行充電。一般是通過充電裝置自身調整來實現的。可以任意選擇和調整充電電流，適應性較強，特別適用于小電流長時間充電，也有利于容量恢復較慢的蓄電池充電。缺點是初始充電電流過小，充電后期充電電流又過大，充電時間長、析出氣體多、對極板的沖擊較大、能耗較高、效率較低。

2.2 恒壓充電

恒壓充電是指每只單格蓄電池均以一恒定電壓進行充電。特點是：初始充電電流相當大，蓄電池電動勢和電解液體相對密度上升較快，隨著充電的延續，充電電流逐漸減小，在充電終期只有很小的電流通過；充電時間短、能耗低，一般充電4～5h蓄電池即可獲得本身容量的90%～95%。主要缺點為由于初始充電初電流過大，對放電深度過大的蓄電池充電時，會引起初始充電電流急驟上升，易造成被充蓄電池過流或充電設備損壞。

除了上述兩種傳統的方法外，為了縮短充電時間和提高充電的效率，提出了一些新穎的充電方法[4]。包括脈沖快速充電法、變電流間歇充電法、變電壓間歇充電法等。

2.3 優化充電方法

由于光伏電池呈現非線性特性，輸出容易受到太陽光輻射和環境溫度的影響。通過常規的充電方法如恒壓、恒流和脈沖充電等都不能滿足系統的需求。系統主要實現的目標不僅在充電過程中最大限度地利用光伏陣列的輸出功率，而且要合理充電以減少充電損耗并延長蓄電池的壽命。下面介紹在光伏系統中結合MPPT控制和蓄電池充電的一類優化充電方法[5－6]，此充電策略分為三個階段。

1）第一階段，剛放電后的蓄電池可接受電能能力強，此時采用MPPT控制算法。換言之也就是在Cuk充電回路中最大程度地利用光伏陣列的輸出功率。在此階段，蓄電池有很強的電流接受能力并且不容易被充壞。這里要注意充電電流要小于0.1C，即0.1×1.2=0.12A。過電流將使電解液溫度升高、極板彎曲變形、活性物質脫落和正極板的腐蝕速度加快。這樣會縮短蓄電池的使用壽命。這一階段需要充到蓄電池額定容量的80%～90%。

2）第二階段采用PI恒壓控制調節。在這一階段中，隨著蓄電池電動勢的升高電流值在下降。這樣會使電解液溫度降低、溢出的酸霧減少。能提高蓄電池充電過程中的性能、改善電池充電效率。此階段蓄電池需要充到其額定容量的97%以上。

3）第三階段當蓄電池接近充滿時，進入浮沖階段。此階段采用PI恒壓控制調節，小電流對蓄電池充電以補充自放電造成的電能損耗。

針對上文選定的蓄電池，循環使用時充電電壓范圍為14.4～15V；作為備用使用時（如應急燈）充電電壓范圍為13.5～13.8V。第二階段恒壓電壓值設為15V，第三階段恒壓電壓值設為13.5V。

主程序的主要功能是控制蓄電池充電過程。第一階段，通過2個I/O端口控制TL494的死區控制端（4腳）使TL494無脈沖輸出。此時PWM波通過PWM定時器產生。初始占空比設為50%，周期為50μs 。然后通過采集光伏電池的電壓和電流信號進行MPPT控制，MPPT控制算法選用爬山法。第二階段需要利用一片TL494進行恒壓控制，此時S3C44B0x的PWM定時器端口需定義成普通的I/O口并賦0值，另一片TL494控制其無脈沖輸出（I/O口賦1值）。第三階段和第二階段相類似。

充電各階段的轉換可以用充電容量作為判據。對于新蓄電池而言，首先需對其進行放電實驗。本實驗采用12V的直流風扇作為負載，放電截至電壓設定為10.5V。通過電流傳感器對放電電流進行采樣并送至A/D轉換器端口，電流對時間的積分即為放電容量。充電容量的計算與放電容量的計算如出一轍。充電容量可以進行如下近似計算：

由于用到了4路ADC通道，進行一次A/D轉換的時間為10.2 μs，ADC轉換通道時需要的等待時間設為15 μs。所以總的時間為4×（10.2+15）=100.8μs。此時間乘以蓄電池充電電流值，并進行自加運算，這樣可以近似求得蓄電池的充電電量。主程序流程圖如圖6所示。

3 實驗數據分析

最初實驗選取的電流傳感器型號為HNC-03SY，其額定測量電流為3A，二次為電壓信號輸出，由于光伏電池輸出的電流很小，相比于3A的額定測量電流，數值偏差很大。并且二次輸出的電壓信號含有部分的噪聲。MPPT以兩個時刻的功率值進行比較然后進行控制，如果電流傳感器采集出來的信號不能如實反映光伏電池的輸出電流，MPPT控制功能有可能失效。為了解決這一問題，選取型號為QBC0.3A05的電流傳感器，額定測量電流為300mA，二次為電流信號輸出。通過兩次實驗的對比發現更換電流傳感器之后，光伏電池電流測量的準確度得到了提高。蓄電池放電至10.5V后，其電壓自恢復至11.84V。每隔兩分鐘記錄MPPT充電階段蓄電池電壓和充電電流數據。繪出蓄電池充電特性曲線，如圖7所示。

圖6 主程序流程圖

圖7 蓄電池充電特性曲線

通過第一階段MPPT充電的實驗數據可以得出如下結論：初始充電時，蓄電池接收電流能力較強，所以電壓上升速度比較快。充電中期隨著充電時間的增加，電壓緩慢地增加。充電后期電壓不是穩步地上升，存在一個波動的過程。從t=22∶54到t=22∶56時，蓄電池電壓從13.37V突增至14.03V，產生這一問題的原因可能由DC-DC電路的特性所決定。通過實驗數據可以發現第一階段充電過程中，光伏電池會隨著蓄電池充電電壓的上升不斷調整工作點，使其向最大功率點的方向運動，DC-DC電路能夠最大程度地利用光伏電池的輸出功率。通過第二階段近5h的實測數據可以得到：蓄電池電壓從14.74V開始上升并穩定在14.87V。但是充電電流一直處于下降的過程，從51.5mA逐漸下降至31.2mA，這與蓄電池恒壓充電的特性相吻合。從而很好地驗證了TL494恒壓電路設計的正確性。

4 結束語

本文對基于ARM的儲能型獨立光伏充電系統進行研究，首先對儲能型獨立光伏系統外圍電路硬件部分進行設計，主要包括電源模塊、信號采集模塊等模塊。然后對系統的軟件部分進行了設計。

在對比分析既有蓄電池充電方法的優劣前提下，針對光伏系統提出了一種結合MPPT和蓄電池充電的全新優化控制策略，并對實驗數據進行了分析，實驗數據表明該策略能夠實現對電池儲能裝置的最優控制并大幅提升電池充電使用效率。

[1]陶海敏，何湘寧. IR2110在驅動大中功率IGBT模塊中的應用[J].電工技術雜志，2002（9）:1-2.

[2]李宏，張翌. 高性能大功率MOSFET和IGBT驅動IC-IR2110及應用[J].集成電路應用，1991（6）:1-3.

[3]王金勇. 蓄電池幾種充電方法的優劣[J]. 設備管理與維修，2003（4）:14.

[4]李俄收，吳文民. 鉛酸蓄電池的充電方法與充電工藝[J]. 電源技術，2004（5）:328-329.

[5]Liu Jianzheng，Wang Jian，Wu Libo. Optimal Control of Solar Energy Combined with MPPT and Battery Charging[C]. ICEMS 2003: 287-288.

[6]AliAl-Mohamad.Efficiency improvements of photovoltaic panels using a Sun-tracking system [J]. Applied Energy，2004（79）: 345-346.