太陽能控制器電路工作分析

覃猛 陳仁芬

摘 要：太陽能控制器是整個光伏供電系統(tǒng)的核心控制部分。控制太陽能電池對蓄電池充電以及蓄電池給太陽能逆變器負載供電的自動控制設(shè)備。控制電路性能穩(wěn)定性對整個系統(tǒng)起到?jīng)Q定作用。

關(guān)鍵詞：太陽能控制器;工作過程;功能;分析

太陽能既是一次能源，又是可再生能源。它資源豐富，既可免費使用，又無需運輸，對環(huán)境無任何污染。太陽能充放電控制器在太陽系統(tǒng)中用于控制電池電壓并打開了電路，還有就是，當電池電壓升到一定程度時，停止蓄電池充電。現(xiàn)在對太陽能充/放電控制器的工作過程、功能和主要電路進行分析。

一、太陽能控制器的工作過程分析。

太陽能控制器的作用是有效地控制太陽能電池板給蓄電池充電，同時控制蓄電池為負載放電。以12V 蓄電池為例，與其配套的太陽能電池板在有一定光照強度下的開路電壓為21V，接入控制器后的電壓為17V，蓄電池的電壓為10～14V。 不同的蓄電池其充/放電特性是不同的，若為小容量蓄電池，當接通太陽能電池板與蓄電池后，蓄電池的電壓會在很短時間內(nèi)被電池板充到14V，若不加控制，蓄電池電壓甚至會更高，我們判斷蓄電池是否已充滿的標準就是檢測蓄電池的電壓值，實際上在這種方式下檢測出的結(jié)果是不準確的，因為此時檢測到的蓄電池電壓是虛電壓，而等電池穩(wěn)定后，再測量電壓，會發(fā)現(xiàn)電壓下降了許多。我們加入控制器的目的就是當檢測到蓄電池電壓達到一定值時，使用控制器控制連接太陽能電池板與蓄電池之間的MOS管的開關(guān)，以一種脈寬調(diào)制的方式，降低充電電流以進一步為蓄電池充電，直到最后用很微小的電流將蓄電池電壓維持在某一固定值。控制負載時需要注意，當蓄電池電壓放電到一定電壓值以下時，要關(guān)斷負載，以保護蓄電池不能太過放電，若控制器控制充電部分電路出現(xiàn)問題，蓄電池電壓將有可能一直被充到 16V 以上，這樣的電壓連接負載時，極有可能燒毀負載，因此，也要保證當蓄電池電壓高于一定電壓值時同樣要關(guān)斷負載。

二、太陽能控制器電路功能：

（1）要能自動檢測太陽能電池板電壓是否高于蓄電池電壓，若高于蓄電池電壓，則可開啟充電：若低于蓄電池電壓，則不能開啟充電，否則蓄電池電流會反向流向太陽能電池板而造成電量損耗。

（2）負載放電電流達到12A時控制器通過蜂鳴器報警，提示用戶負載已經(jīng)過載請降低負載功率運行;當放電電流達到15A時，控制器會自動切斷負載輸出，以保護控制器不被燒壞。切斷負載輸出后，控制器要能夠自動檢測負載功率，當負載功率降低到額定功率以下時，控制器又可自動開啟負載。

（3）當蓄電池電壓低于10.8V時，自動關(guān)斷負載（欠壓關(guān)斷），同時有報警提示：當從低于10.8V回升到13.2V時自動接通負載（欠壓恢復）。

（4）當蓄電池電壓高于14.8V 時，自動關(guān)斷負載（過壓關(guān)斷），同時有報警提示：當從高于14.8V回落到14.7V時自動接通負載（過壓恢復）。

（5）當蓄電池處于浮充狀態(tài)時電壓值控制在13.7V。

（6）當用戶將太陽能電池板接反至控制器時，要有報警功能，并且具有保護控制器不被毀壞的功能。

（7）當用戶將蓄電池接反至控制器時，要有報警功能，并且具有保護控制器不被毀壞的功能。

（8）當負載發(fā)生短路時，控制器要具有自我保護能力，同時能檢測出短路狀態(tài)并給予報警提示：當短路解除時能夠自動恢復正常功能。

（9）不同的溫度對蓄電池的浮充電壓點是不同的，要有自動檢測溫度功能，并且能夠自動調(diào)節(jié)蓄電池的各個電壓點。

三、太陽能控制器電源轉(zhuǎn)換及控制部分電路分析。

主控芯片U1采用STCI2C5412AD單片機，該芯片帶有4路PWM輸出，這里使用其中一路PWM控制充電MOS管的開關(guān)。自帶8路10位AD，用來采集系統(tǒng)中所有需要處理的模擬信號。

串口通信部分采用MAX232芯片進行TTIL電平和RS-232電平之間的轉(zhuǎn)換，加入串口的目的主要有三個： 一是給單片機下載程序;二是使控制器具有遠程通信或遠程監(jiān)控的功能;三是將控制器每天采集到的數(shù)據(jù)的極限值和發(fā)生異常狀態(tài)時的數(shù)據(jù)記錄在其內(nèi)部的EPROM中，當工作人員需要查看數(shù)據(jù)時，可直接通過串口讀取數(shù)據(jù)。

上圖為電源轉(zhuǎn)換及控制部分電路。蓄電池正極從二極管DD6的陽極接入，DD6為防電源反接構(gòu)成反向回路設(shè)計。Q3， R16，DW2 為一級降壓電路， 將蓄電池電壓鉗位在9.4V左右。DW2為10V穩(wěn)壓管，當蓄電池電壓高于10V時，通過三極管Q3和穩(wěn)壓管DW2后降壓到9.4V。降壓到9.4V的原因是，三極管的基極電壓被穩(wěn)壓管穩(wěn)定在10V，通過BE極之間的PN結(jié)后電壓下降0.6V，所以為9.4V。然后通過二級降壓電路R17，Q4和DW3將輸出電壓鉗位到5V，這5V電壓用來給單片機系統(tǒng)提供電源。兩級降壓電路中使用三極管的作用是為了擴流，單純用穩(wěn)壓管同樣也可以穩(wěn)壓到期望的電壓值，可是輸出的電流會非常小，以至根本無法帶負載。

電阻R25， R26 和二極管DD8用來檢測太陽能電池板電壓值，標號“PV-”為太陽能電池板負極，“JCPV” 接單片機A/D輸入口。當“PV-"電壓等于或大于“BAT-"電壓時，說明太陽能電池板電壓等于或小于蓄電池電壓，這時不能開啟充電控制。

R12，R13， R14， R15， DW1，Q2， T1為控制負載開關(guān)電路。DW1 用來保證MOS管與GS之間電壓最大不得超過10V，否則會損壞MOS管。三極管Q2導通時，MOS 管T1關(guān)閉; Q2不導通時，MOS管T1開啟。標號“ADC1"有三個作用，一用于單片機控制負載通斷;二用于采集MOS管在開啟狀態(tài)下的DS壓降，從而檢測負載消耗電流大小;三當負載過載或短路時，“ADC1”由硬件自動使MOS關(guān)閉，從而保護MOS管及負載的進一步損壞。

R21， R20用來啟動硬件自動關(guān)閉充電，當太陽能電池板電壓低于蓄電池電壓時，可由“PV-”直接控制Qs三極管，Q6的控制將失效。

T2， T3兩個MOS管對接才可有效控制充電回路，因為MOS管內(nèi)部自身會有一個二極管，N溝道為S指向D，P溝道為D指向S。DW4為T2和T3 MOS管穩(wěn)壓。T2 和T3 MOS管的開/關(guān)由Qs和Q。兩個三極管的狀態(tài)共同決定。

參考文獻：

[1]郭天祥《新概念51單片機C語言教程.入門、提高、開發(fā)》北京 電子工業(yè)出版社 2009.

作者簡介：覃猛，1981年1月，男，廣西來賓，廣西工商技師學院，高級講師 ，電子技術(shù)、家用電器、數(shù)碼產(chǎn)品、電腦硬件技術(shù)。