具有恒压跟踪功能的新型太阳能充电器的研究与设计

1　引言　

目前，在各种光伏电站中，普遍采用太阳电池来收集太阳能并将它储存于蓄电池中以便在需要时再逆变成220V/50Hz交流电供给用户使用。然而，在利用太阳电池对蓄电池充电的过程中，由于太阳电池输出特性的非线性，太阳电池工作点并不是时刻处于最大功率点附近，从而造成太阳电池能量的浪费。本课题所研制的新型太阳能充电器根据太阳电池的工作特性——输出最大功率点处的电压值在不同日照下基本不变，采用恒压跟踪（CVT）方式实现了对太阳电池的最大功率跟踪，有效地提高了太阳电池的工作效率，同时也改善了整个系统的工作性能。  

2　系统主电路

系统的主电路如图1所示。

由图1可知，主电路拓扑结构为Buck型变换器，利用脉冲宽度控制芯片TL494的输出脉冲来控制主电路功率器件（IGBT）的占空比，以改变对蓄电池的充电电流，由此实现太阳电池的恒压跟踪，使太阳电池的输出功率接近最大功率。同时，通过主电路来完成对蓄电池电压、充电电流和太阳电池电压的采集，以便控制电路实现各种跟踪和保护功能。  

3　太阳电池的工作特性  

图2为太阳电池的工作特性曲线图。由图可知，太阳电池的工作特性为一组非线性曲线，A、B、C、D、E点为不同日照下的最大输出功率点，并且对应输出最大功率点处的电压值在不同日照下基本不变，根据这一特点，采用恒压跟踪方式，利用简单的硬件电路基本上就可以实现太阳电池的输出功率为最大；同时，由图2又可知，当蓄电池过充时只要使太阳电池工作于开路状态就可以实现过充保护。

4　系统的控制原理  

4．1　系统控制框图  

系统的控制框图如图3所示。   

由图3可知，本系统采用了经典控制理论中的双闭环控制方式，其中电流环为内环，电压环为外环，电压环的输出为电流环的给定；并且电压环又包含了由蓄电池电压构成的电路和太阳电池电压构成的电路，两个电路分别在电路工作的各个阶段起着相应的调节作用。  

4．2　系统的工作过程分析  

在充电阶段，蓄电池电压构成的电路不起作用，电压环仅由太阳电池电压构成的电路组成，此时，电压环的输出为电流环的给定，通过检测主电路中蓄电池的的充电电流和给定电流相比较来改变TL494的输出脉冲宽度，使太阳电池电压紧紧跟踪给定电压，具体表现为：当太阳电池电压大于给定电压时，偏差信号经过PI调节后改变给定电流使加到TL494的电流输入端信号变大，TL494输出脉冲宽度增加，经驱动电路放大整形以驱动功率器件，使其导通占空比增加，蓄电池充电电流变大，由图2可知，太阳电池电压下降，电路达到稳态时，太阳电池电压等于给定电压，电流环的给定亦为稳定值，蓄电池的的充电电流等于给定电流；反之，当太阳电池电压小于给定电压时，TL494输出脉冲宽度减小，经驱动电路放大整形以驱动功率器件，使其导通占空比减小，蓄电池充电电流变小，太阳电池工作电压增加，电路达到稳态时太阳电池电压等于给定电压。  

在过充电阶段，两个电路均起作用，电压环由太阳电池电压构成的电路和蓄电池电压构成的电路组成，此时，蓄电池电压和给定太阳电池工作电压之和大于太阳电池实际工作电压，偏差信号经过PI调节后加到TL494的电流输入端，使TL494输出脉冲宽度减小，蓄电池充电电流变小，由图2可知，太阳电池实际工作电压渐渐增大，直到稳态时，太阳电池工作于开路状态，蓄电池充电电流为零，从而实现了过充保护。  

5　脉冲宽度调制芯片TL494及其应用

5．1　脉冲宽度调制芯片TL494的结构  

TL494是美国德州仪器公司的产品，其价格便宜，容易购得，并且在其内部同时解决了电流调节器、脉宽调制和最大电流限制，芯片内还设置了一些附加监控保护功能，使得芯片具有较强的抗干扰能力和较高的可靠性，用此芯片构成的控制系统外接元器件较少，结构简单。图4为该芯片的内部结构图。  

由图4可知，TL494由一个振荡器、两个比较器、两个误差放大器、一个触发器、双与门和双或非门、一个＋5V基准电压源、两个NPN输出晶体管等组成。脚6和脚5外接电阻Rt和Ct确定了振荡器产生锯齿波的频率foscfosc=1/(RtCt)  

输出调制脉冲的宽度是由电容Ct端的正向锯齿波和脚3、4输入的两个控制信号综合比较后确定的。脚13用来控制输出模式。脚4为死区时间控制端。脚1、脚16和脚2、脚15分别为两个误差放大器的同相和非同相输入端，可以分别接至给定信号和反馈信号，用作电压和电流调节器，完成系统的闭环控制，或者用作过流、过压、欠压和过热等比较器，实现保护功能。脚14为基准电压端，可为上述调节器和比较器提供参考基准。

5．2　TL494的外围电路组成  

TL494的外围电路组成如图5所示。

6　结语  

根据上述控制思想研制的充电器，具有过充、过流、过热等完善的保护功能；经过长期运行，系统显示出了良好的效果，不仅提高了太阳电池的工作效率，同时也保护了所使用的蓄电池，在利用绿色能源方面，具有较大的社会效益。