智能復合電池充電控制器設計與研制

王紹武

（平頂山工業職業技術學院 自動化與信息工程學院，河南平頂山，467001）

0 引言

太陽能電池制造由于技術上的精進，使其成本逐漸降低，國內有許多有關于太陽能發電技術應用于照明系統，其中，針對電動車的能源電池，設計成一個簡單、便利及高效率的復合式電池系統，電源供應器采用多組并聯使用，可以提供電子設備高可靠度及大電流輸出的電源供應需求。但并聯電源供應器必須藉由均流控制技術，才能確保負載電流均勻地分配至每一個模塊上。本文采用微控制器Microchip PIC18，可同時做升降壓控制，電池狀態偵測、判斷控制器送出信號控制復合電池充放電，提升充電效能及使用壽命，最后并使用Minitab軟件進行模擬及分析驗證可行性。

1 研究方法

鉛酸電池雖具設置成本低的優點，然而重量重、體積大、3～4年需更換電池及需增加電池更換費用缺點；其次，鋰鐵電池則有充放電效率極佳、壽命超長優點，不過唯一缺點是設置成本高昂。因此本文整合兩種電池優點，提出復合電池概念遠比鉛酸電池有較佳充放電效率、壽命增加3倍等的優點，若鉛酸電池容量為鋰鐵電池約3倍，不僅充放電效率佳、提高照明亮度、壽命長而且汰換電池率低、降低維護費。

圖1為本系統架構，可分成：電力部分和控制部分。其中電力部分是由：太陽能電池模塊、降壓調整器、鋰鐵及鉛酸電池、LED模塊所組成，太陽能電池模塊功能是由光能轉換成電能，由降壓調整器將太陽能電池電壓降至鋰鐵及鉛酸電池可接受充放電范圍，得以保護電池的壽命，此外，并供給LED模塊點亮。另外控制部分可分成：太陽能電池電壓與鋰鐵及鉛酸電池定電壓反饋、全對稱型放大電路、光耦合器TLP250、太陽能電池、鋰鐵及鉛酸電池電流放大器以及微控制器。以下針對上述方框圖進行功能說明。

圖1 系統架構圖

■1.1 系統架構介紹

1.1.1 電力部分

（1）太陽能電池模塊

考慮系統之需求，采用太陽能電池為日本KYOCERA公司產品，選用此廠牌原因為成本較為低廉，可應用于低功率電力應用系統。太陽能電池功率輸出為87 W，最大輸出電壓17.4 V，最大輸出電流5.02 A，開路輸出電壓21.7 V，短路輸出電流為8.02 A。

（2）降壓調整器

在許多工業應用中，需要將定值之直流電壓源轉換為一可變之直流電壓源。DC-DC轉換器能夠直接地將直流轉換為直流，亦即為直流轉換器。直流轉換器可以被視為一匝數比可連續變化之交流變壓器。如同變壓器一般，能夠將一直流電壓源予以降壓或升壓，圖2為降壓調整器。采用降壓調整器將太陽能電池電壓降至鋰鐵及鉛酸電池能夠承受的電壓對電池充電，主要避免電池過充而損壞，采用降壓調整器，輸出電壓平均值Vo小于輸入電壓VS。

圖2 降壓調整器

（3）采用兩種電池

鋰鐵與鉛酸電池，電池之特性敘述如下：

I鋰鐵電池：磷酸鋰鐵（分子式LiMPO4，簡稱LFP），本文使用國際超能源高科技股份有限公司所生產的鋰鐵電池，構架為4顆串聯，5組并聯，其中一顆電池電壓與容量分別為3.2 V，即4× 3.2 V = 12.8 V；鋰鐵電池與鉛酸電池之容量比為1:2.75，能維持陰天數約為3天，因此鋰鐵電池容量為鉛酸電池1/3。

II鉛酸電池：使用統一工業股份有限公司所生產的鉛酸電池，采用凝膠式深循環蓄鉛酸電池12 V免保養型太陽能專用電池。

（4）LED模塊

照明系統采用白光LED，每一顆LED之額定功率為1 W。為了達到20 W輸出功率，20顆LED以2顆串聯后并聯10串之方式排列成LED模塊，每路LED發光模塊所生產額定驅動電流為400mA，在額定電流驅動下其輸出流明數為1776Lm。假設有平均有3小時等效日照時數，則每天消耗電量預估為20 W× 3 h = 60 Wh。

1.1.2 控制部分

包括太陽能電池電壓與鋰鐵及鉛酸電池定電壓反饋、全對稱型放大電路、光耦合器TLP250以及PIC18F微控制器。

Microchip發 展 自 從PIC10、12與16系 列 基 本8位微控制器，至今仍是市場基本微控制器主流產品。近年Microchip成功發展更進步產品，所謂PIC18系列微控制器。PIC18系列控制器是Microchip在8位微控制器高階產品，不只全系列皆配置硬件乘法器，具有不同產品搭配，相關周邊硬件都可在PIC18系列微控制器開發C18C語言程序編譯器，提供使用者更有效率程序撰寫工具。

■1.2 復合電池切換原理

主要透過太陽能發電模塊，經由充電控制器分別對復合電池充電，提升電池之利用率，并有效延長照明時間與電池使用壽命。所提系統架構，可分成圖3及圖4兩種模式說明，

電池充放電優先權（Priority）以鋰鐵電池為主，鉛酸電池為輔，主要原理分兩個模式探討：

1.2.1 模式1（天氣晴朗）

太陽光充足時，太陽能電池模塊吸收之太陽光轉換為直流電輸出，電池狀態偵測、判斷控制器送出信號，使得充電控制及繼電器開與閉合的動作，剛開始時，鋰鐵電池先充電至飽和電壓15 V，此時電池狀態偵測控制器再送出信號，繼電器切換至鉛酸電池充電至飽和電壓，先以鋰鐵電池充電，可獲極高效率，等效電路如圖3所示。

圖3 天氣晴朗鋰鐵先充電鉛酸后充電

1.2.2 模式2（陰天）

電池狀態偵測控制器會送出判斷信號，使得放電控制及繼電器切換至鋰鐵電池先放電，當電池放電量不足11V時，繼電器切換至鉛酸電池放電，穩定持續對負載供電，鋰鐵電池具切換次數壽命長優點，有效延長負載供電時間，等效電路如圖4所示。

圖4 陰天或晚上鋰鐵先放電鉛酸后放電

所提太陽能電池對復合電池充電，其中鋰鐵與鉛酸電池容量比例最佳化設計，攸關電池系統轉換效率。目標函數以轉換效率為最大化，此外，使用Minitab軟件進行模擬及分析，根據實際的實驗數據，描述受測試因子與目標函數間相互關系的數學模式，進一步借由此模式尋找極值點所在的位置。

2 結果與分析

■2.1 實驗系統設備

此節系探討白天太陽能電池對復合電池充電分析情形。為有效延長負載照明時間，并提供負載更大輸出功率及縮短電池充電時間，因此將太陽能電池輸出組合分為以下三種模式：單片太陽能電池模塊、雙片太陽能電池模塊串聯以及雙片太陽能電池模塊并聯。太陽能電池采用三種模式除可提高復合電池充電效率之外，亦可延長晚上放電照明時間。

圖5為測量太陽能電池模塊輸出功率MPPT過程，由圖中得知初始微控制器追蹤太陽能電池輸出最大功率點時，隨著照度逐漸增加，電壓輸出漸漸降低，電流輸出也慢慢增加，由于電流增加速度遠大于電壓降低，以至于約在34s時搜尋輸出功率最大點，因此可得到復合電池充電電壓平穩輸出電壓。

圖5 MPPT追蹤過程

為有效延長負載照明時間、提供負載更大輸出功率及縮短電池充電時間，因此太陽能電池輸出組合方式分為三種模式。本文所采用太陽能電池，每片輸出功率為87 W，為測試系統可靠度及有彈性調變系統充放電速率，太陽能電池輸出能有彈性選擇三種模式測試及分析。圖6為本文設計電路及測量情況。此外，所提系統由太陽能電池提供復合電池充電，白天電池為充電狀態，LED模塊并不會點亮，直到晚上電池提供LED模塊放電及點亮。由于太陽光照度隨時會有變動，因此太陽能電池輸出功率隨照度而改變。本文實驗分析以200 W/m2照度情況為例進行測量分析。

圖6 本文設計電路及測量情況

2.1.1 單片PV模塊測量充電情形

圖7為太陽能單片輸出模塊經過降壓轉換電路對復合電池充電情形，當單片太陽能電池對復合電池充電時，由于采用PWM制定電壓充電技術，因此測量MOSFET兩端電壓工作周期之變化，分別為VGS之工作周期只有16.73%；VGS與VDS兩波形有緩沖時間延遲且呈180度反向，然而，MOSFET頻率則為61.07 kHz。測量太陽能輸出電壓探棒置于× 1（1倍），CH1:5 V/div，則電壓為16.23 V，此時鋰鐵電池先充電，電流探棒刻度置于100m V/A，CH4刻度：10m V/div，因此計算出電流ILi-Fe為0.1 A；因鋰鐵電池正處于充電狀態，此時鉛酸電池電流IPB值為零。太陽能電池輸出電流與功率分別為0.75 A、12.17 W，轉換效率為6.08%。

圖7 單片PV模塊測量充電情形

2.1.2 雙片PV串聯模塊測量充電情形

圖8為雙片太陽能輸出模塊串聯經過降壓轉換電路對復合電池充電情形，當雙片太陽能電池串聯輸出電壓變大約為25.1 9 V，對復合電池充電時，經由PWM之切換控制，由于VGS之工作周期增加至41.53%；主要原因是提升降壓電路輸出電壓，才能對電池充電，其次，電流探棒刻度置于100 mV/A，CH4刻度：0.2 V/div，因此太陽能電流IP計算為1.79 A，太陽能電池輸出電壓與功率分別為25.19 V、45.09 W，轉換效率為22.54%。

圖8 雙片PV串聯模塊測量充電情形

2.1.3 雙片PV并聯模塊測量充電情形

同理，雙片太陽能輸出模塊并聯經過降壓轉換電路對復合電池充電時，當雙片太陽能電池并聯輸出電流變大，只對鋰鐵電池充電時，VGS之工作周期只有18.26%；主要原因此時照度只有200 W/m2，太陽能電池電壓VP為只有17.25 V。當鋰鐵電池先充電，所以鉛酸電流IPB為零；而太陽能電池輸出電流與功率分別為2.81A、48.62 W，轉換效率為24.31%。

■2.2 可行性驗證

為驗證所提系統之可行性，因此將系統安裝于校園一角作為LED路牌指示，除了讓夜校學生更為清楚校園環境之外，且達成節能減碳目的。圖9為復合電池晚上供給LED路牌放電時間曲線，經由曲線得知LED模塊功率較小唯有10 W，并且使用電量較少及壽命長，因此從單顆電池來分析，鋰鐵電池放電時間可達12小時以上，而鉛酸電池主因為電池容量較大，放電時間更長，長達53小時；因此，總放電時間可達65小時。

圖9 放電時間曲線

■2.3 實驗結果

考察氣候與陽光照度之變化，提出太陽能電池對復合電池充電，應用微控制器PIC18F可大幅縮小硬件電路體積，采用智能脈沖寬度調變充電控制法針對復合電池來進行數位控制及實現控制策略，使其具有高充放電效率、維修成本低、延長陰天照明時間及環保效益等優點。采用降壓調整器，由于太陽能電池輸出電壓比復合電池來得高，避免電池過充而燒毀。其次，微控制器輸出PWM經由降壓調整器之MOSFET開關切換，當操作于連續導通模式復合電池充電電壓輸出較為平穩。

本文采用復合電池，整合兩顆電池優點，當白天時鋰鐵先充電，鉛酸后充電；晚上時鋰鐵電池先放電，再由鉛酸電池放電，提供LED模塊照明時間得以延長，并能提升電池使用壽命。

3 結束語

有鑒于太陽能發電系統應用于室外照明之鉛酸電池，具有充電效率差、電池易老化、壽命短、不耐高溫且笨重缺點。為有效改善鉛酸電池既有缺點，并結合鋰鐵電風池之優點，因此提出智能復合電池充電控制器應用于太陽能照明，提出太陽能電池發電系統之最大功率點追蹤法。操作原理為鋰鐵電池先充，鉛酸電池后充；放電為鋰鐵電池先放，鉛酸后放之順序控制，主要是運用鋰鐵電池充放電曲線平穩，且壽命長；鉛酸電池容量大，放電時間較長，因此希望將陰天或照明時間延長，花費成本降低，且兩顆電池平均壽命比單顆鉛酸電池更長。