丁南菊 李泓 陳首清

（1.無錫科技職業(yè)學院，江蘇 無錫 214028;2.無錫商業(yè)職業(yè)技術學院，江蘇 無錫214153）

隨著世界經濟的快速發(fā)展，引發(fā)了人們對資源枯竭、環(huán)境污染等一系列問題的擔憂，節(jié)能減排、保護環(huán)境、發(fā)展低碳經濟已成為人們的共識。太陽能是最具發(fā)展?jié)摿Φ那鍧嵞茉?，具有取之不盡、用之不竭、可再生、使用中零碳排放的特點。中小型獨立光伏發(fā)電系統(tǒng)一般由太陽能電池組件、蓄電池、光伏控制器、負載及電力電子變換電路組成。其中光伏控制器是系統(tǒng)自動運行的核心，其性能直接影響光伏發(fā)電系統(tǒng)的可靠性、工作效率和使用壽命，特別是影響蓄電池組的使用壽命，蓄電池的過充電或過放電都將縮短蓄電池的使用壽命，給用戶造成經濟損失，因此本文將對影響蓄電池使用壽命的關鍵部件——太陽能光伏控制器的設計進行重點討論和分析。

1 系統(tǒng)總體設計

光伏系統(tǒng)主要由太陽能電池組件、蓄電池、控制電路和負載構成。如圖1所示。

太陽能光伏控制器應具有的主要功能如下：

（1）防止蓄電池過充：當蓄電池電壓上升到蓄電池充滿電壓時，進行充滿控制，自動切換為浮充充電模式，否則蓄電池將過充電，從而影響蓄電池壽命。

（2）防止蓄電池過放：當蓄電池電壓下降到過放電電壓時，進行過放電控制，自動將負載切離，否則蓄電池將過放電，從而影響蓄電池壽命。

（3）蓄電池短路或反接保護：當蓄電池短路或反接時，控制器熔斷器能快速熔斷，不造成器件損壞。

（4）防反充:當太陽能電池方陣不向蓄電池充電時，阻斷蓄電池電流倒流向太陽能電池方陣。

（5）負載短路過載保護：當控制器向負載輸出電流大于設定值時，控制器能切斷負載。防止過載造成損壞。

（6）溫度補償：在不同的工作環(huán)境溫度下，對蓄電池設置與工作溫度對應的合理的充放電終止電壓。

本設計充電方式采用PWM脈寬調制型三階段充電，可以隨著蓄電池的充滿，電流逐漸減小，符合蓄電池對于充電過程的要求，能夠有效地消除極化，有利于完全恢復蓄電池的電量。

2 太陽能控制器硬件電路的設計

2.1 主電路

本設計使用的太陽能電池板工作電壓為18V，功率60W，采用免維護鉛酸蓄電池，額定電壓12V，容量20AH。太陽能電池是一種直流源，本設計采用DC/DC變換電路，使太陽能電池輸出的直流電變換成蓄電池充電所需的按特定規(guī)律變換的直流電。類型為BUCK變換電路。如圖1所示。DC/DC變換電路由二極管D1、電感L1、電容C1組成。

2.2 控制單片機

在本設計中，控制單片機采用宏晶科技生產的STCl2C5A60S2單時鐘/機器周期單片機，該單片機具有高速、低功耗、超強抗干擾的特點，指令代碼完全兼容8051，內部集成MAX810專用復位電路，具有2路8位PWM，8路10位高速A/D轉換（25萬次/秒），工作電壓3.5V-5.5V,工作頻率范圍0-35MHz,60 KB系統(tǒng)編程的Flash內存，1280字節(jié)的片內RAM，可尋址64KB地址空間的外部數據存儲器接口，硬件實現的ISP/IPA在線系統(tǒng)可編程/在線應用可編程，可通過串口(P3.0/P3.1)直接下載用戶程序。

2.3 MOSFET驅動電路

在太陽能電池對蓄電池充電電路中及蓄電池對負載放電電路中采用功率場效應晶體管作為開關管來控制接通與斷開。本設計電路功率較小，所以兩個開關管采用N溝道MOSFET管，考慮電路電壓及電流情況，選擇AO3404型號。連接太陽能電池與蓄電池的MOSFET的驅動電路采用高速MOSFET 驅動器MCP1402，可提供500 mA的峰值電流。這些器件還具有低直通電流、匹配的上升/ 下降時間和傳輸時延特性，使得它們成為高開關頻率應用的理想選擇?？捎?.5V 至18V的單電源供電。如圖2所示。MCP1402輸入口接單片機P1.3PWM信號輸出口，輸出通過限流電阻Rg接MOSFET柵極。連接蓄電池與負載的MOSFET采用三極管驅動。

2.4 電壓、電流檢測電路

檢測電路包括對光伏電池電壓、蓄電池端電壓、蓄電池充電電流、負載電流的檢測。對光伏電池電壓、蓄電池電壓采用電阻分壓式采樣電路，然后接到單片機的A/D端。對電流檢測采用電流傳感器ACS712來測量，該器件內置有精確的低偏置的線性霍爾傳感器電路，能輸出與檢測的交流或直流電流成比例的電壓。具有低噪聲，響應時間快，使用方便、性價比高、絕緣電壓高等特點，主要應用于電動機控制、載荷檢測和管理、開關式電源和過電流故障保護等,采用單電源5V供電。系統(tǒng)選用ACS712ELCTR一05B—T進行電流檢測，電流檢測范圍為±5A。典型應用電路如圖3所示。ACS712串聯(lián)在電路中，12管腳流入電流，34管腳流出電流。ACS712的電壓輸出VOUT和被檢測的電流IP間的關系為：VOUT=(2/30)IP+2.5（V）。 電 壓 輸 出 端VOUT接單片機A/D輸入端。如圖3所示。

2.5 溫度檢測電路

相關研究表明：當蓄電池溫度低于25℃時，蓄電池的充滿電壓應適當提高，相反，高于該溫度時蓄電池的充滿電壓應適當降低，否則會損壞蓄電池。故需對蓄電池的溫度進行監(jiān)測。本文采用的溫度傳感器為DSl8B20，它將地址線、數據線、控制線合為一根雙向串行傳輸數據的信號線，CPU只需一根端口線就能與DSl8B20通信，能直接將環(huán)境溫度轉化成數字信號，以數碼信號與單片器傳輸，簡化了傳感器與單片機的接口電路，電源電壓范圍為3.0V-5.5V。溫度測量范圍為-55℃～125℃。測溫分辨率可達0.0625℃。

3 太陽能光伏控制器軟件的設計

3.1 蓄電池充電狀態(tài)分析

為提高太陽能電池的利用率和蓄電池充電效率，延長蓄電池使用壽命，采用三階段式充電方式。

階段一：蓄電池處于快速充電階段，選用的蓄電池可充電速率與太陽電池輸出電流相匹配，開關管完全導通，充電電流就等于電池板的輸出電流，此時便處于快速充電狀態(tài)。隨著充電過程的進行，蓄電池電動勢不斷升高，使蓄電池端電壓不斷升高，從而達到快充停止電壓，進入充電階段二。

階段二：蓄電池處于恒壓充電階段，給蓄電池一個恒定電壓充電，由對蓄電池端電壓的采樣，反饋到單片機，單片機輸出PWM信號控制BUCK變換電路的占空比使蓄電池的充電端電壓保持恒定。隨著充電過程的進行，BUCK變換電路占空比變小，充電電流變小，當充電電流低于Ioct時，進入充電階段三。

階段三：蓄電池處于浮充階段，充電電壓為一個基于溫度補償后的浮充電壓，對蓄電池做浮充恒壓充電，以補償蓄電池自放電電流。

表1 充電參數（25℃）

對于蓄電池過放、電路過載的保護，只要檢測負載電流及蓄電池電壓，通過程序進行比較，便能進行控制，及時切斷負載。對于12V密封鉛酸蓄電池，充放電階段各個參考值設置如表1。其中快充停止電壓、恒壓充電電壓及浮充電壓均需溫度補償。通常蓄電池的溫度補償系數為-（3-5）mV/℃。

3.2 程序流程圖

控制器的主要工作流程如圖4、5所示。當系統(tǒng)開始運行后，單片機先進行參數初始化，如表1。然后單片機進入主循環(huán)程序。讀取蓄電池端電壓、太陽能電池電壓、蓄電池環(huán)境溫度，當太陽能電池板電壓大于蓄電池端電壓時，進入充電模式，選擇合適的充電方式進行充電，選擇充電方式子程序如圖5所示。接著執(zhí)行負載控制程序，對過載和過放電情況進行判斷，如出現過載及過放電時及時切斷負載。接著再回到蓄電池端電壓、太陽能電池電壓、蓄電池環(huán)境溫度讀取，如此循環(huán)往復。主程序采用C語言來編程。

圖4 主程序流程圖

圖5 選擇充電方式子程序流程圖

結語

本文提出了一種基于STC單片機的太陽能光伏控制器的設計方法，通過實驗測試，光伏系統(tǒng)各部分電路工作穩(wěn)定，轉換效率高，控制精準，蓄電池具有良好的三階段充電曲線。適用于在小功率光伏發(fā)電系統(tǒng)中推廣應用。

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