基于光伏供電系統的小功率直流電源分析與設計＊

萬小虎，趙玲霞，張芊蓉，張肅楠，盛海龍，祝 燎

（河西學院物理與機電工程學院，甘肅 張掖 734000）

1 引言

直輻射日照計對于了解太陽輻射變化、監測天氣氣候狀況、分析和預報未來天氣及光熱電站對太陽能的監測都具有重要的意義。直輻射日照計通常安裝在戶外，工作時需要持續穩定的電源為其供電。目前，日照計供電電源要么采用市電，要么采用光伏供電電源。獨立的光伏供電電源對于安裝在戶外的直輻射日照計，顯然更加經濟、便捷。

因此，本文針對日照計戶外供電問題設計了一款基于光伏電池供電的小功率直流電源，該電源主要包括光伏電池、鋰電池及充放電控制器等。為了使該電源能夠持續、穩定地給日照計供電，設計的充放電控制器在充電時，能夠根據光照不同，可分別工作于Buck、Buck-Boost、Boost三種模式。同時，采用STM32單片機作為控制核心，搭建控制電路，驅動芯片選擇LM5109AM/NOPB，光伏電池及鋰電池直流電壓檢測電路依據電阻分壓原理進行設計。

2 光伏供電電源的基本構成

本文以太陽能光伏電池為電源，通過充放電控制器，對鋰電池進行充電儲能的同時為日照計供電。以下將日照計簡稱負載。光伏供電電源結構如圖1所示，該電源由光伏電池、DC-DC電路、鋰電池、直流負載、直流電壓電流檢測電路、驅動電路等構成。其中，鋰電池的作用為在光照充足時存儲電能，以便在光照不足或無光照時給負載供電。其充放電控制主要通過單片機STM32控制DC-DC電路，并結合直流檢測電路及驅動電路共同實現。

圖1 光伏供電電源結構圖

當有光照時，光伏電池將吸收的太陽能轉化為電能，經DC-DC電路對鋰電池進行充電，同時為負載提供穩定的直流電壓；當無光照時，鋰電池釋放所儲存的電能為負載供能。光伏電池輸出側直流電壓、電流檢測一方面可實現光伏電池的MPPT控制，另一方面可防止因電壓電流過高損壞DC-DC電路中的功率器件。鋰電池直流電壓電流檢測電路，是防止其過放電現象的發生。

3 光伏供電系統的電路設計

3.1 DC-DC電路

DC-DC變換器是太陽能充電器的核心組成模塊。常用的DC-DC拓撲結構形式主要有以下幾種：降壓斬波電路拓撲（Buck）、升壓斬波電路拓撲（Boost）、升降壓斬波電路拓撲（Buck-Boost）[1]。其中，Boost適用于太陽能電池輸出端電壓低于儲能電池端電壓場合；Buck適用于太陽能電池輸出端電壓高于儲能電池端電壓場合；Buck-Boost應用在獨立的太陽能充放電控制器場合。本文所設計的太陽能充放電控制器，可根據光照分別工作于上述3種模式。電路結構如圖2所示。

圖2 主電路結構圖

工作原理：Q5與Q6分別是2只主控管，Q4與Q7分別是2只同步整流管。當輸入電壓低于給定電壓時，該電路工作于Boost模式，此時Q5一直導通，而Q7則一直關斷，控制Q6實現對電壓的調節；當輸入電壓高于給定電壓時，該電路工作于Buck模式，Q4一直導通，而Q6則一直關斷，控制Q5實現對電壓的調節；而當輸入電壓介于給定電壓范圍之內時，電路工作于Buck-Boost模式[2-3]。3種工作模式根據不同需要進行切換，最終使DC-DC電路電壓穩定在14.5 V左右。

當光照充足時，光伏電池輸出電壓較高，主電路工作于Buck模式，將光伏電池輸出降壓后對鋰電池進行充電，同時為負載提供電能；當光照不足或無光照時，光伏電池輸出電壓可能低于鋰電池充電電壓，此時主電路工作于Boost模式，將光伏輸出電壓升高后給負載供電；當光伏電池提供的電能不足以供負載使用時，鋰電池放電，為負載供能。當光伏輸出電壓在設定范圍之內，則主電路工作于Buck-Boost電路模式。

3.2 驅動電路

此電路采用LM5109AM/NOPB驅動芯片，如圖3中U8所示。MOSFET開通瞬間需要一個大的尖峰電流，定量計算出大約在0.6 A，而單片機輸出的電流大約在5 mA，遠遠滿足不了驅動作用[4]。因此，需要加入Q1、Q3射極跟隨器，用來放大電流，以達到驅動效果。

圖3 驅動電路

Q21、Q30均為NX7002AK,215，可起到硬件保護的作用。當BKPS、BKPM同時出現高電平時，若沒有這2個元器件電路將會出現短路現象。而這2個元器件的存在，會將對方拉為低電平，從而起到硬件保護的作用。

3.3 檢測電路

通過電阻分壓對光伏電池及鋰電池輸出電壓和輸出電流進行檢測，檢測電路如圖4所示。該電路采用NPN型的差分對[5-6]，Q10為比例電流源，電路的放大倍數為R111與R195之比。差分對為Q47左邊三極管和Q46左邊三極管所組成。采樣電流放大器由于負反饋作用可以用運放的虛短路來分析采樣增益。由于深度負反饋運放的輸入端短路使得Q47左邊三極管的發射極和Q46左邊三極管的發射極電位相等。

圖4 直流電壓檢測電路

4 仿真及實驗結果分析

為驗證光伏供電系統的可行性，應用MATLAB對電路進行仿真，仿真參數如下：直流負載參數為12 V/12 W；鋰電池選用12V/50AH磷酸鐵鋰電池；光伏電池功率為200 W，額定輸出電壓為18 V。

4.1 仿真結果分析

實際中根據光照強度的不同，光伏電池輸出電壓可分為3種情況，分別為高于額定電壓、等于額定電壓、低于額定電壓。在MATLAB仿真中，針對上述3種情形分別進行了仿真，以驗證光伏電池輸出電壓在設定范圍內變化時，所設計的DC-DC控制器均能將其輸出快速穩定在目標值上。

給定太陽能光伏板的輸出電流為3.8～4.0 A，輸出電壓為額定電壓18 V時，太陽能光伏電池輸出及DC-DC電路輸出仿真波形如圖5所示。

圖5 光伏電池輸出電壓為額定值時仿真波形

圖5（a）為光伏電池輸出電壓電流波形，圖5（b）為光伏電池輸出電壓為18 V時的DC-DC電路輸出電壓仿真波形，由圖5（b）可以看出，當DC-DC電路的輸入電壓為18 V時，其輸出經0.5 ms后可穩定在14.6 V左右。

當光伏電池輸出電壓低于額定值時，假設光伏板的輸出電壓為16 V，即DC-DC電路輸入電壓為16 V時，其輸出電壓仿真波形如圖6所示。

圖6 光伏電池輸出電壓低于額定電壓時的仿真波形

由圖6（a）、（b）可以看出，當光伏電池輸出電壓低于額定值時，DC-DC電路也可以很快將其輸出電壓值穩定在14.5 V左右。

當光伏板的輸出電壓高于額定電壓時，假設此時光伏板的輸出電壓為20 V，此時光伏板的電壓電流輸出波形及DC-DC電路輸出電壓波形分別如圖7（a）、（b）所示。

圖7 光伏電池輸出電壓高于額定電壓時的仿真波形

由圖7（a）、（b）可以看出，當光伏電池輸出電壓高于額定值時，DC-DC電路也能將其輸出電壓值穩定在14.5 V左右。

4.2 實驗結果分析

為進一步驗證基于光伏電池供電的直流電源設計方案的可行性，搭建了相應的實驗電路。實驗參數如下：

日照計用DC12V/10W的LED燈代替；鋰電池選用12V/50AH磷酸鐵鋰電池；光伏電池功率為200 W，工作電壓為18 V，工作電流為9.23 A，開路電壓為22.41 V。

圖8為電路工作時光伏電池輸出電壓波形。

圖8 光伏電池輸出電壓波形

由圖8可以看出，電路工作時光伏電池輸出電壓維持在22.4～24 V，實驗時刻對應輸出電壓為23.6 V。

圖9為光伏供電系統中DC-DC控制器輸出端直流電壓波形。

圖9 DC-DC控制器輸出側電壓波形

由圖9可以看出，在白天有光照時，光伏電池輸出電壓經所設計的DC-DC控制器后，其輸出電壓相對穩定。當光伏電池輸出電壓在給定范圍內變化時，DC-DC控制器的輸出直流電壓基本穩定在14.6 V左右，滿足鋰電池充電電壓要求及直流負載供電要求。

5 結論

本文針對日照計戶外供電問題，設計了一款基于光伏電池供電的小功率直流供電電源，并設計了以STM32單片機為控制核心的DC-DC充放電控制器。最后，在MATLAB軟件中搭建了仿真模型，對光伏電池輸出電壓分別在等于額定電壓、高壓額定電壓及低于額定電壓3種情況下的DC-DC控制器的輸出進行了仿真，并搭建了實驗電路，進一步驗證了方案的可行性。結果表明，當光伏電池的輸出電壓在設定范圍內波動時，通過所設計的DC-DC電路的調節，可使其輸出電壓能夠穩定到預設的固定值的偏差范圍內。