基于微电压调节的太阳能充放电系统设计

摘要：基于微电压调节的太阳能充放电系统，是以微控制器LPCI114为核心的太阳能电池板充放电电路，是实现高效率的智能充放电设计方案。微电压调节理论整合了经典电压回授法和多种太阳能最大功率点追踪思想，利用简单合理的DC／DC平衡技术，充分考虑系统功耗等问题，以简单的电路设计和创新的软件思想实现更高效率的太阳能系统。随着能源危机的加剧，高效率、低成本的太阳能系统备受社会关注，其在民用、交通等领域的运用也更加重要。
关键词：太阳能；微电压；最大功率点追踪；LPC1114；DC／DC

引言
太阳能作为一种绿色能源已经应用到各个领域，如家庭、交通，工业等，作为其核心的技术，充放电系统研究已经日趋成熟。但是随着能源危机的加剧，低成本、高效率等思想使人们对系统的要求越来越苛刻。本文就是致力于这一点，充分考虑系统的可靠性、稳定性、低功耗和低成本等要求，设计了一种简单可行的光伏电池系统。该系统通过对蓄电池供电或直接通过光伏电池板供电，来满足小功率设备的用电需求。

1 理论分析
图1所示为独立太阳能电池系统的架构图。主要由电阻分压网络、电源和复位模块、充电控制模块、放电控制模块、微处理器、输出驱动模块、时钟和显示模块以及用电切换模块构成。

1．1 光伏电池板特性
光伏电池是一种典型的非线性器件，其电路图如图2所示。为了描述其工作状态将其用图2(a)所示的等效电路来描述。

光伏电池的光电流可视为电流源，Rs为串联电阻，Rsh为旁漏电阻，R是电池外的负载电阻。Rs主要由电池的体电阻、表面电阻、电极电阻和电极与硅表面间接接触电阻所组成。Rsh为旁漏电阻，由硅片边缘不清洁或体内的缺陷引起。理想的太阳能电池，Rs很小，Rsh很大。由于Rs、Rsh分别串联与并联在电路中，进行理想计算时，可以忽略不计。所以，理想等效电路如图2(b)所示。
由于受到光照、电池阵列结温度及负载的影响，太阳能电池输出电压和电流也随之发生改变，相关功率也随之变化。一定光照强度下，太阳能电池的输出特性曲线如图3所示。

其中，Isc为短路电流，Voc为开路电压，Vm为最佳工作点电压，Pm为电池板输出的最大功率。由于电池板受到日照、温度等外部环境的影响，其最大功率点不断发生变化。研究表明：输出特性曲线近似为矩形，即低压段近似为恒流源(平稳)，接近开路电压时近似为恒压源(陡峭)；开路电压近似同温度成反比，短路电流近似同日照强度成正比，输出功率随着光强和温度呈非线性变化；输出功率在某一点达到最大值，该点即为太阳能电池板的最大功率点，且随着外界环境的变化而变化。[p]
1．2 最大功率点追踪理论基础
光伏器件的输出功率因外界环境的变化而受到很大影响，为了使能量得到高效转移和利用，提出了几种追踪最大功率点的理论，不同的光伏系统采用相应的电路实现高效能量传递。当下普遍应用的是以DC／DC电路为平衡器件的阻抗变换电路，通过调节控制电路的开关占空比来追踪太阳能电池板的最大功率点。带阻抗变换器的太阳能系统等效电路如图4所示。

常见的几种最大功率点追踪算法有电压回授法、功率回授法、扰动观察法、电导增量法等，各有其优缺点。本文提出一种仅通过检测微电压的变化来实现追踪最大工作点的算法——微电压调节算法。该算法是基于电压回授法提出来的，效率相对有明显提高，且系统结构相对简单。
微电压调节算法是指检测电压以一定的步长增加或减少所需的时间，根据时间的长短来选择最大工作点电压。其理论基础是电荷量等于电容与端电压的乘积，即Q=C×U。当电容为恒定值时，相应的线性关系变化为△Q=C×△U。
所以，可通过检测不同阶段电压的变换时间的长短来选择充电的最佳工作点，再通过追踪最佳工作点来实现高效率的能量转换和传递。

2 系统硬件设计
本文采用低功耗的ARM芯片LPC1114作为控制器的主控芯片，而给相应的外围芯片设计了太阳能充放电控制器。系统原理框图如图5所示。

2．1 主控芯片及其电源电路
本系统采用NXP公司的微控制器LPC1114作为本系统的核心。LPC111x系列芯片是基于ARM Cortex-M0的微控制器，可用于高集成度和低功耗的嵌入式系统设计。
该微控制器特点如下：
◆流水线结构的ARM Cortex-M0内核，处理器工作最高频率可选50 MHz；
◆串行接口UART可产生小数波特率，带有内部FIFO，支持RS-485／EIA-485，具有Modem控制；
◆32 KB的片内Flash程序存储器，高达8 KB的静态RAM，可以实现在系统编程和在应用中编程；
◆看门狗定时器(WDT)，系统节拍定时器，10位ADC在8个引脚之间实现输入多路复用；
◆具备3种节能模式——睡眠、深度睡眠和深度掉电，集成的PMU(Power Management Unit)在睡 眠、深度睡眠和深度掉电模式下自动调节内部稳压器，将功耗降至最低。
电源电路采用蓄电池供电，不追加外部供电系统。通过LM7805和LM1117两个线性电源为芯片供电。电源电路原理图如图6所示。

2．2 主控电路
太阳能智能控制系统主要由电阻分压网络、充电控制部分、阻抗匹配平衡部分、放电切换部分和为交流负载提供电能的逆变器组成。电阻分压网络完成数据的采集，经微处理器的分析处理对MOS管的导通与否实施控制。充电控制部分完成对开关管的控制，当无过充现象时在光伏电池输出的最佳工作点处给蓄电池充电并实时采集分析。阻抗匹配平衡电路作为PWM调试追踪最大工作点的核心部分，实现阻抗的匹配。放电切换部分完成直接供电或在功率不足时由民用交流电供电。逆变器则是为交流负载供电时将直流转为交流。

图7为系统的主控电路。SB460为阻塞二极管，用于防止光伏电池电压过低时产生反充的现象。C1和电阻分压网络构成电压调节检测功能电路。C2为滤波电容，减小电压抖动文波。D1为稳压二极管，用于嵌位开关管两端电压，满足开关的开启电压。Q1部分电路为MOS管的驱动电路和保护电路，功率场效应管是所有全控型电力电子器件中工作频率最宽的一种，MOS管是电压控制型器件，但对于MOS管的驱动也要保证一定的驱动电流。该驱动电路必须具备2个功能：一是实现控制电路与被驱动MOSFET栅极的电隔离；二是提供合适的栅极驱动脉冲，实现电隔离可采用脉冲变压器、微分变压器及光电耦合器。DC／DC平衡电路根据输入电压调节输出电压，其实际上就是阻抗变换器，为了实现阻抗的匹配而达到最大功率输出的效果。D2为泄流二极管，在继电器吸合断开时泄放电流，起到保护的作用。K1为继电器，采用AIKS公司生产的ARL2F系列，通过控制三极管的导通与否实现继电器的控制，当继电器吸合时由太阳能系统供电，在功率不足或是欠压状态下由民用供电系统供电，在给交流负载供电时，需要经过逆变器实现直流到交流的转换。
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3 软件说明
太阳能充放电的程序设计主要由光伏电池板输出的最大功率点追踪程序、A／D数据采集程序、PWM脉冲控制充电程序、充放电控制程序4部分组成。A／D数据采集程序实时动态地采集光伏电池板的输出电压(即图7中C1两端电压)通过检测电容两端电压芯片自动完成对采集数据的分析和处理。电阻分压网络的设计需要注意RC时间常数是否能够满足A／D采样速率的要求。最大功率跟踪程序是软件程序的重点，新算法的提出实现了系统的高效率。充放电控制程序则是系统的核心控制部件，主要由PWM调节控制原理实现高效的输出和匹配。

系统软件流程如图8所示。电阻分压网络对光伏电池输出电压(VG)和蓄电池端电压(VX)进行动态采集，将获得的光伏电池输出电压(VG)交给最大功率点追踪程序进行分析和处理；开启定时器，在不超时的情况下，捕捉当前的最佳工作点(VG’)；接下来进入充放电控制程序，通过分析VG’和对应的光伏电池输出电压VX’，控制MOS管和三极管的导通和截止，实现充放电的控制；在规定时间内(即工作点重新采集到时)，重新采集分析电压，如此循环往复。

最大功率点追踪流程图如图9所示。Vm1、Vm2分别对应电压增长过程中功率相对接近最大工作点时的两侧电压值，对每一次电压的分析和处理以一定的电压范围为基础，增加追踪的工作效率；由前面的太阳能电池输出特性曲线可知，在最佳工作点(VP)两侧的电压增长幅度有很大的不同，故爬坡过程中采用的步长要予以区分；图中的电压增量步长△V、△V’是随着压差(VG与VP的差值)的改变而改变，以寻求更精确的电压值；在最大工作点VP两侧进行爬坡过程中，不同的m、n对应各自相应时的间差(△Ti)，最小定时时间(△Tmin)所对应的电压为该阶段的最佳工作电压，理论基础就是前面所引用的电荷理论。
A／D数据采集程序设计部分主要是解决多通道采集时通道切换方式的问题。本文以轮询方式实现通道的切换，在主函数的调用中以通道号(ChannelNum)作为参数，在多次采集之后求得数据的平均值作为子程序的返回结果。充放电控制程序设计部分主要是解决PwM调试时周期的选择以及占空比的配置问题，由于MOS管的开关频率会带来系统的损耗，所以PWM周期的设置很重要。
根据太阳能电池的输出特性曲线可知，在最大功率点附近摆动时对其最大点的追踪都是爬坡的方式，但是指示方向不同。由于曲线的平缓程度不同，两侧在爬坡的过程中步长也是有区别的，平缓步长大，陡峭步长小，所以步长的选择是重点考虑问题。通过定时／计数器对不同电压爬坡阶段的计时，根据上述电荷量理论，所用时间最短的阶段就是此刻效率最高的阶段，该点就为追踪的最大功率点。

结语
本文研究了太阳能充放电控制系统的简洁高效理论，主要以简单的电路和改进的优化算法实现了系统的高效率转换。该方法在实验阶段是可行的，但是由于自身电路的局限以及外界环境的干扰，该系统的稳定性、电路的精简度有待提高。