閉金杰　羅曉曙　楊日星　張　露

摘 要:為了控制太陽能發(fā)電系統(tǒng)中蓄電池的最優(yōu)充放電,利用低功耗高性能的RISC單片機AVR作為控制電路的核心,設(shè)計一種可靠性高,性能好的太陽能智能控制器,并對控制器的控制原理進行詳細分析。測試結(jié)果表明,該控制器能正確監(jiān)控和測量蓄電池的狀態(tài),充放電效果好,性能可靠,能減少充電損耗,延長蓄電池的使用壽命。

關(guān)鍵詞:太陽能電池;PWM;控制器;AVR

中圖分類號:TP274文獻標識碼:B

文章編號:1004-373X(2009)10-167-03

Design of Solar Energy Controller Based on AVR

BI Jinjie,LUO Xiaoshu,YANG Rixing,ZHANG Lu

(College of Physics and Electronic Engineering,Guangxi Normal University,Guilin,541004,China)

Abstract:In order to control the optimal charge and discharge of battery in solar power system,a set of circuit of high reliability and intelligent solar energy controller are designed using RISC microcontroller of AVR,and principle of the controller is analyzed.The experiment results show that the controller is able to detect the state of storage battery,it has good effect and high capability,it also can reduce the charged wastage,and prolong the service life of battery.

Keywords:solar battery;PWM;regulator;AVR

隨著能源危機和環(huán)境污染的加深,太陽能的研究和利用受到廣泛的關(guān)注。太陽能是人類取之不盡用之不竭的可再生能源,也是清潔能源,不產(chǎn)生任何的環(huán)境污染,在太陽能的有效利用中,太陽能充電是近些年發(fā)展最快,最具活力的研究領(lǐng)域,是其中最受矚目的項目之一。太陽能電池發(fā)電是基于 “光生伏打效應(yīng)”原理,將太陽能轉(zhuǎn)化為電能,利用充電效應(yīng)將太陽輻射直接轉(zhuǎn)化為電能。它具有永久性、清潔性和靈活性大的優(yōu)點,是其他能源無法比擬的。

1 太陽能控制器的設(shè)計

1.1 太陽能電池的輸出特性

由它的輸出特性曲線(見圖1)可知,太陽能電池的伏安特性具有很強的非線性,即當日照強度改變時,其開路電壓不會有太大的改變,但所產(chǎn)生的最大電流會有相當大的變化,所以其輸出功率與最大功率點會隨之改變。然而當光強度一定時,電池板輸出的電流一定,可以認為是恒流源。因此,必須研究和設(shè)計性能優(yōu)良的太陽能發(fā)電控制器,才能更有效地利用太陽能[1]。

1.2 系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)

太陽能控制器硬件結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。該控制器以AVR mega 32為控制核心,外圍電路主要由蓄電池電壓及環(huán)境溫度檢測與充放電控制電路、電池板電壓檢測與分組切換電路、負載電流檢測與輸出控制電路、狀態(tài)顯示電路、串口數(shù)據(jù)上傳和鍵盤輸入電路構(gòu)成。

電壓檢測電路用于識別光照的強度和獲取蓄電池端電壓。溫度檢測電路用于蓄電池充電溫度補償。該系統(tǒng)采用PWM方式驅(qū)動充電電路,控制蓄電池的最優(yōu)充放電。電池板分組切換控制電路用于不同光強度和充電模式下電池板的切換,該系統(tǒng)實現(xiàn)對3組電池板陣列控制。負載電流檢測電路用于過流保護及負載功率檢測。狀態(tài)顯示電路用于系統(tǒng)狀態(tài)的顯示,包括電壓、負載狀況及充放電狀態(tài)的顯示。串行口上傳數(shù)據(jù)電路用于系統(tǒng)運行參數(shù)的上傳,實現(xiàn)遠程監(jiān)控。鍵盤輸入電路用于充電模式設(shè)定及LCD背光開啟。該控制器在有陽光時接通電池板,向蓄電池充電;當夜晚或陰天陽光不足時,蓄電池放電,以保證負載不停電。

1.3 AVR單片機

AVR微處理器是Atmel公司的8位嵌入式RISC處理器,具有高性能、高保密性、低功耗等優(yōu)點。程序存儲器和數(shù)據(jù)存儲器可獨立訪問的哈佛結(jié)構(gòu),代碼執(zhí)行效率高。系統(tǒng)采用的mega 32處理器包含有32 KB片內(nèi)可編程FLASH程序存儲器;1 KB的E2PROM和2 KB RAM;同時片內(nèi)集成了看門狗;8路10位ADC;3路可編程PWM 輸出;具有在線系統(tǒng)編程功能,片內(nèi)資源豐富,集成度高,使用方便。AVR mega 32可以很方便地實現(xiàn)外部輸入?yún)?shù)的設(shè)置,蓄電池及負載的管理,工作狀態(tài)的指示等。

1.4 蓄電池的充放電控制

閥控密封鉛酸蓄電池具有蓄能大,安全和密封性能好,壽命長,免維護等優(yōu)點,在光伏系統(tǒng)中被大量使用。由閥控密封鉛酸蓄電池充放電特性圖(見圖3)可知,蓄電池充電過程有3個階段:初期(OA)電壓快速上升;中期(ABC)電壓緩慢上升,延續(xù)時間較長;C點開始為充電末期,電壓開始上升;接近D點時,蓄電池中的水被電解,應(yīng)立即停止充電,防止損毀電池。所以對蓄電池充電,通常采用的方法是在初期、中期快速充電,恢復(fù)蓄電池的容量;在充電末期采用小電流長期補充電池因自放電而損失的電量。

蓄電池放電過程主要有三個階段:開始(OE)階段電壓下降較快;中期(EFG)電壓緩慢下降且延續(xù)較長的時間;在最后階段G點后,放電電壓急劇下降,應(yīng)立即停止放電,否則將會給蓄電池照成不可逆轉(zhuǎn)的損壞。因此,如果對閥控密封鉛酸蓄電池充放電控制方法不合理,不僅充電效率降低,蓄電池的壽命也會大幅縮短,造成系統(tǒng)運行成本增加。在蓄電池的充放電過程中,除了設(shè)置合適的充放電閾值外,還需要對充放電閾值進行適當?shù)臏囟妊a償,并進行必要的過充電和過放電保護[2]。

根據(jù)閥控密封鉛酸蓄電池的特點,控制器利用MCU的PWM功能對蓄電池進行充電管理。若太陽能電池正常充電時蓄電池開路,控制器將關(guān)斷負載,以保證負載不被損傷;若在夜間或太陽能電池不充電時蓄電池開路,由于自身控制器得不到電力,不會有任何動作。當充電電壓高于保護電壓(15 V)時,自動關(guān)斷對蓄電池的充電;此后當電壓掉至維護電壓(13.2 V)時,蓄電池進入浮充狀態(tài),當?shù)陀诰S護電壓(13.2 V)后,浮充關(guān)閉,進入均充狀態(tài)。當蓄電池電壓低于保護電壓(10.8 V)時,控制器自動關(guān)閉負載,以保護蓄電池不受損壞。若出現(xiàn)過放,應(yīng)先進行提升充電,使蓄電池的電壓恢復(fù)到提升電壓后再保持一定時間,防止蓄電池出現(xiàn)硫化。通過PWM控制充電電路(智能三階段充電),可使太陽能電池板發(fā)揮最大功效,提高系統(tǒng)充電效率。

1.5 溫度補償

采用數(shù)字溫度傳感器DS18B20檢測蓄電池環(huán)境溫度。對蓄電池的充電閾值電壓溫度補償系數(shù)取-4 mV/(℃?單體)。補償后的電壓閾值可以用以下公式表示:Ve=V+(t-25)αn。其中,Ve為補償后的電壓閾值;V為25 ℃下的電壓閾值;t為蓄電池環(huán)境溫度;α為溫度補償系數(shù);n為串聯(lián)的單體數(shù)?？刂破鲗^放電壓閾值不做補償。

1.6 MOSFET驅(qū)動電路

設(shè)計的控制器屬于串聯(lián)型,即控制充電的開關(guān)是串聯(lián)在電池板與蓄電池之間的。串聯(lián)型控制器相對于并聯(lián)型控制器能夠更有效地利用太陽能,減少系統(tǒng)的發(fā)熱量。設(shè)計中用MOSFET實現(xiàn)開關(guān)。MOSFET是電壓控制單極性金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管,所需驅(qū)動功率較小。而且MOSFET只有多數(shù)載流子參與導(dǎo)電,不存在少數(shù)載流子的復(fù)合時間,因而開關(guān)頻率可以很高,特別適合作為PWM控制充電開關(guān)。為此,設(shè)計中采用P溝道MOSFET。P溝道MOSFET的導(dǎo)通電壓V_th<0,由圖4可以實現(xiàn)MOSFET的驅(qū)動。當Q₂導(dǎo)通時,由于Q₂的Vce很小,可以認為Q₁的G極接地,V_gs<0,當Vin達到一定值時,Q₁導(dǎo)通。

1.7 鍵盤電路

采用單按鍵的輸入方式,用于開液晶背光和設(shè)定充電模式。初始化時將PC7輸出高電平,在程序運行過程中,通過定時中斷檢測是否有按鍵按下。當有按鍵按下時間不超過10 s時,則打開液晶背光,10 s后背光關(guān)閉。當有按鍵按下時間超過10s時,進入模式設(shè)定。在設(shè)定模式下,每按一次模式加1,按下按鍵10 s后或者10 s按鍵無任何動作,模式保存到E2PROM中,退出設(shè)定模式。

1.8 狀態(tài)顯示和告警電路

控制器用LCD1602液晶顯示系統(tǒng)的狀態(tài)信息,包括蓄電池電壓、負載功率等。LCD1602采用7線驅(qū)動法,Vo接1 kΩ電阻到地,用于調(diào)節(jié)液晶顯示對比度。顯示數(shù)據(jù)和指令通過LCD1602的DB4~DB7寫入,同時具備有聲光告警功能。當出現(xiàn)過壓或過放時,相應(yīng)的發(fā)光二極管閃爍以及蜂鳴器告警,同時相應(yīng)告警繼電器接通。

1.9 數(shù)據(jù)上傳

控制器用RS 232串行口將系統(tǒng)電壓、溫度、充放電狀態(tài)以及負載情況數(shù)據(jù)上傳,實現(xiàn)遠程監(jiān)控。

2 控制器的軟件流程圖

主程序主要完成對I/O、定時器和PWM的初始化,同時根據(jù)電池板和蓄電池的狀態(tài)調(diào)用相應(yīng)的充放電子程序。控制器參數(shù)的測量主要由中斷服務(wù)程序完成。圖5是控制器主程序流程圖。

3 結(jié) 語

在此設(shè)計的太陽能控制器性能穩(wěn)定,具有過充過放保護和溫度補償。經(jīng)過測試,系統(tǒng)顯示出良好的控制效果,不僅提高了太陽電池的工作效率,同時也保護了所使用的蓄電池,在利用綠色能源方面,具有一定的社會效益和廣泛的推廣價值。

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