智能太陽能充電控制器研究

李 楠，陳 恒，李 森，王 馳，田懷谷

（西京學院 理學院，陜西 西安 710123）

1 總體結構框架

太陽能光伏發電技術，因其轉換效率高、無污染、不受地域限制、維護方便、使用壽命長等諸多優點，近年來在世界范圍內得到了迅速的應用和發展[1]。隨著應用領域的擴展及用戶性能需求的不斷演變，光伏發電技術的重點也慢慢集中在如何提高光伏電池轉換的高效性、可靠性和安全性等方面，所以，光伏系統中關于充電控制器的研究逐漸成為行業研究的重點。目前，光伏充電控制器研究主要集中在充電控制算法的改進和產品功能多樣化的拓展方面[2]。

該智能太陽能充電控制器系統由太陽能光伏電池、蓄電池組、STM32單片機、DC-DC變換電路和輔助電路等組成，系統框架如圖1所示。

2 系統硬件設計

該項目硬件電路主要由主控電路、蓄電池充電電路、信號采集電路和充電保護電路等部分組成。（1）主控電路設計：選擇STM32單片機作為整個充電控制器控制系統的控制芯片，具有性能高效、設計簡單且成本低的特點，有較高的穩定性和廣泛的實用性。（2）蓄電池充電電路設計：充電電路即為連接光伏電池與蓄電池之間的電路，多用DC電路進行連接，本項目將擬在Buck電路上進行線路拓展。（3）信號采集電路設計：主要包括太陽能電池板電壓電流采集電路、蓄電池電壓電流采集電路、溫度采集電路等，采集的微信號通過模擬電路的轉換后傳輸到單片機中，單片機進行信號處理后通過WiFi模塊、云平臺將數據實時顯示到手機客戶端，從而讓用戶及時獲取充電信息。（4）保護電路設計：為了保證充電器的安全性和可靠性[3]，單片機和外圍電路進行了過壓、過載、反接和短路保護電路設計，相比于傳統的模擬電路設計方式，該設計通過單片機進行電壓、電流等參數大小的檢測和開關器件的控制，具有采樣精度高、靈活方便、可靠性高等優點。

3 系統軟件設計

3.1 軟件算法設計

該項目在軟件設計上采用最大功率點追蹤（Maximum Power Point Tracking，MPPT）算法和蓄電池充放電算法來提高蓄電池的充電效率。

3.1.1 MPPT算法設計

太陽能電池板在陽光照度及負載大小等因素的影響下，輸出電壓和功率值是動態變化的，為了使其控制器從太陽能電池板中獲取最大可用功率，該項目在軟件設計上引入了MPPT算法，通過改變PWM波的占空比，來實現控制過程中最大功率點的實時追蹤。MPPT算法流程如圖2所示，其中，V(K)表示太陽能電池板輸出電壓，V(K－1)表示前一時刻輸出電壓，I(K)表示輸出電流，P(K)表示輸出功率，P(K－1)表示前一時刻的輸出功率。

圖1 系統框架

圖2 MPPT算法流程

3.1.2 蓄電池充放電算法設計

由于MPPT作為充電的一個階段并不能單獨使用，通常需要結合浮充充電、均衡充電等充電方式共同完成對蓄電池的充電，因而該項目將MPPT算法與蓄電池充電進行綜合，采用階段性充電的方式進行了充電方法的改進[4]。

階段性充電過程主要分為：（1）快速充電階段。由于初始充電階段，蓄電池電壓未達到充滿電壓的設定值，采用MPPT充電能夠以最大的太陽能能量給蓄電池充電，當蓄電池電壓達到設定值后，進行恒壓充電。（2）維持充電階段。當蓄電池電壓達到維持電壓的設定值后，進行恒壓方式充電，不再進行MPPT充電，充電電流逐漸下降。（3）浮充充電階段：蓄電池電量已經充足，因而采用小電流充電的方式進行浮充充電，從而補充電池自放電造成的能量損失，保持電量充足。（4）均衡充電階段。由于蓄電池在使用過程中會產生電壓不均勻現象，通過均衡充電的方式，攪動電解質，以平衡蓄電池電壓，從而提高蓄電池的使用壽命。

3.2 手機APP設計

綜合考慮開發難度、開發成本、開發周期等因素，本項目手機上位機擬采用易安卓語言進行開發，其中，手機APP上位機主要顯示參數包括：電池板電壓電流、蓄電池電壓電流、負載電壓電流、實時功率、充電功率、負載功率等。

4 結語

本文設計了一種智能太陽能充電控制器，采用模塊化設計，整個系統由下位機硬件系統和上位機軟件系統組成。硬件方面，通過保護電路、采集電路等電路的設計，保障了設備的安全性、可靠性和穩定性[5]；軟件方面，通過軟件算法的優化，提高了該設備的高效性。該設備契合當下流行的物聯網功能，上位機手機APP的搭建拓展了產品功能的多樣性，具有很高的實際應用價值與廣闊的市場前景。