何志苠，左世彥，申文，岳天琛，劉亞東，盛戈皞，江秀臣

（1．上海工程技術(shù)大學工程實訓中心，上海 201620；2上海電力公司金山供電公司，上海 200540；3上海交通大學電氣工程系，上海 200240）

基于多電池組的太陽能供電系統(tǒng)

何志苠1，左世彥2，申文3，岳天琛3，劉亞東3，盛戈皞3，江秀臣3

（1．上海工程技術(shù)大學工程實訓中心，上海 201620；2上海電力公司金山供電公司，上海 200540；3上海交通大學電氣工程系，上海 200240）

能量獲取技術(shù)是輸電線路在線監(jiān)測技術(shù)兩大關(guān)鍵問題之一。多電池組的太陽能供電系統(tǒng)采用多個電池組作為儲能元件，分別對每個電池組進行能量管理，即使某電池異常也不影響系統(tǒng)正常工作，同時采用主－副雙太陽能電池板工作模式，現(xiàn)場應用時根據(jù)需要配置副太陽能電池板，從而完成電池板選型靈活配置。實驗測試表明基于多電池組的太陽能供電系統(tǒng)運行情況良好，滿足現(xiàn)場需要。

MPPT；太陽能；電池組；在線監(jiān)測；能量管理

0 引 言

能量獲取技術(shù)是輸電線路在線監(jiān)測技術(shù)的兩大關(guān)鍵問題之一。由于輸電線路在線監(jiān)測裝置運行環(huán)境非常惡劣，電源的可靠性直接決定整個監(jiān)測裝置的性能。

現(xiàn)有的輸電線路取電方式主要有感應取電、太陽能和風能三種方式。感應取電主要通過電磁感應原理直接從輸電線路上獲取能量，此方式只適用于高壓側(cè)的取電方式；風能是利用風力帶動小型發(fā)電機工作產(chǎn)生能量，由于其安裝在野外桿塔上，定期的檢查和維護難以保證，從而降低了風能取電的可靠性；太陽能是將太陽的光和熱轉(zhuǎn)化成能量的一種方式，由于太陽能電池板免維護的特點，得到了廣泛的應用［1～3］。但是太陽能電池板選型難以適應滿足現(xiàn)場運行需要，而且電源管理系統(tǒng)可靠性低。目前太陽能供電系統(tǒng)大多都采用單電池作為能量存儲器，一旦電池發(fā)生異常將導致整個電源故障。

本文研發(fā)的多電池組的太陽能供電系統(tǒng)采用多個電池組作為儲能元件，分別對每個電池組進行能量管理，即使某電池異常也不影響系統(tǒng)正常工作，同時采用主－副雙太陽能電池板工作模式，現(xiàn)場應用時根據(jù)需要配置副太陽能電池板，從而完成電池板選型靈活配置。

1 多電池組太陽能供電系統(tǒng)的組成

如圖1所示，多電池組供電系統(tǒng)主要由太陽能電池組和充放電控制器組組成，太陽能電池組由兩塊太陽能電池板構(gòu)成［4］，每個太陽能電池板都將輸出電壓送至電壓總線上，分別為充放電控制器1和2供電，充電控制器組根據(jù)需要對電池進行充供電管理，使太陽能電池板工作在最大工作點，同時將穩(wěn)定電壓輸出，給負載供電。

圖1 多電池組太陽能供電系統(tǒng)組成

2 硬件設(shè)計

多電池組太陽能供電系統(tǒng)硬件上包括前端DC／DC變換電路、充－供電管理電路、后端DC／DC變換電路、電量檢測電路及相應的過壓、過流保護電路，如圖2所示。

圖2 充放電控制器功能框圖

其中，充－供電管理電路是整個系統(tǒng)的核心電路，主要由太陽能充電回路、鋰電池電壓測量電路、鋰電池供電電路、太陽能電池輸出直接向系統(tǒng)供電電路等如圖3所示。

由圖3可知，太陽能光伏電源系統(tǒng)充－放電回路由兩組電路并聯(lián)構(gòu)成，現(xiàn)分析其中一組電路。

圖3 鋰電池充－放電電路原理圖

由太陽能光伏電池板經(jīng)前端DC／DC變換產(chǎn)生＋5 V電源作為鋰電池充放電回路的輸入。首先經(jīng)二極管D1、D2降壓后可直接向系統(tǒng)供電，作為鋰電池向系統(tǒng)供電的補充。鋰電池充電回路由R1、R11、Q1、Q5構(gòu)成，其中PWM0端接F330單片機的接口，F(xiàn)330單片機可以產(chǎn)生8位的PWM波，通過控制PWM0的占空比控制三極管Q5的導通和關(guān)斷，進而控制MOSFET管Q1的導通和關(guān)斷，運用MPPT算法，實現(xiàn)太陽能對鋰離子電池的充電控制管理。

D4和R2構(gòu)成鋰離子電池的涓流充電回路，當在連續(xù)陰雨天以后，鋰離子電池組剩余電量不足以供系統(tǒng)終端工作時，該涓流回路起到恢復電池電壓的作用，通過設(shè)定R2阻值的大小，來控制涓流充電電流的大小，如果R2過小，那么該回路電流較大，三極管Q5、MOSFET管Q1的PWM控制作用基本上起不到什么作用，如果R2過大，當鋰離子電池組需要涓流充電時卻無法進行涓流充電，嚴重時可能導致系統(tǒng)無法正常啟動，本系統(tǒng)選擇R2＝100 Ω。選定該阻值后，將鋰離子電池組電壓放電到3．1 V以下，關(guān)閉太陽能充電開關(guān)PWM0，這時鋰離子電池組僅用涓流充電回路充電，在中午4個小時內(nèi)便可以將鋰離子電池組充電至3．1 V以上，重啟太陽能充電開關(guān)PWM0，給鋰離子電池組進行大電流充電，實現(xiàn)系統(tǒng)電源的自恢復。

R3、R4分支電路構(gòu)成鋰電池電壓的測量電路，通過CPU對測量TP1點電壓的采集，即可獲得鋰離子電池組的電壓值。由于正在充電的電池電壓有浮高的現(xiàn)象，為了減小誤差，在測量時，首先要關(guān)掉充電開關(guān)PWM0，然后再進行多次測量，求取平均值。

鋰離子電池供電回路由R5、R12、Q2、Q6構(gòu)成，通過控制鋰離子電池供電開關(guān)Battery1來實現(xiàn)對系統(tǒng)供電，由于鋰離子電池供電比太陽能供電更加穩(wěn)定，受負載影響較小，太陽能對系統(tǒng)供電支路作為對鋰離子電池對外供電的輔助補充［5－6］。

3 軟件設(shè)計

本太陽能光伏供電系統(tǒng)在軟件功能上主要是進行電池的充電管理和供電管理，電源系統(tǒng)不同工作狀態(tài)的控制轉(zhuǎn)換和相應的管理策略由基于單片機的充－放電控制電路實現(xiàn)，其控制信號為太陽能電池輸出電壓。白天光照條件下，控制電路檢測到太陽能電池有正常輸出，則開啟充電電路，關(guān)閉供電電路，太陽能電池給蓄電池充電同時給系統(tǒng)終端供電；天黑后，太陽能電池停止工作，此時控制電路檢測到太陽能電池無輸出，則關(guān)閉充電電路。系統(tǒng)的總體軟件流程圖如圖4所示。

圖4 系統(tǒng)總體軟件流程圖

由圖4可知，整個電源模塊在主循環(huán)中主要有三大部分構(gòu)成，PWM占空比調(diào)節(jié)、供電管理和充電管理。PWM占空比調(diào)節(jié)是其中的主要環(huán)節(jié)。

針對太陽能光伏電池輸出最大功率與電壓的關(guān)系，可以監(jiān)測太陽能電池板的電壓輸出，并且通過調(diào)節(jié)PWM占空比以維持太陽能電池板的輸出電壓在最佳工作電壓（最大功率點的電壓值）附近。本系統(tǒng)使用擾動觀察法來實現(xiàn)太陽能電池板輸出的最大功率點跟蹤控制（MPPT）。具體實現(xiàn)功能框圖如圖5所示。

圖5 基于MPPT控制的PWM占空比流程圖

由圖5可知，對于太陽能電池板來說，當太陽能板輸出電壓小于4．4 V，則關(guān)掉充電開關(guān)，不進行任何PWM占空比調(diào)節(jié)，這時候太陽能所能提供的能力比較微弱，通常是傍晚到凌晨的一段時間；當太陽能板輸出電壓大于4．4 V時，則可以進行PWM占空比調(diào)節(jié)（當然這里指的是有可以充電的電池的情況），判斷PWM占空比需要增加還是要減小，要看當前太陽能電池板輸出的電壓值與太陽能電池最大功率點對應的電壓值（18 V）的比較關(guān)系，如果太陽能電池輸出電壓大于18 V，那么增加PWM占空比，負載加大，拉低太陽能電池板的輸出電壓，使得其輸出電壓回到18 V附近，同樣原理，當太陽能電池輸出電壓小于18 V，那么減小PWM占空比，負載減小，抬升太陽能電池板的輸出電壓，使得其輸出電壓回到18 V附近。使得太陽能電池板能夠在最大功率點附近給鋰離子電池充電，效率得到了保證。

鋰電池充電時需要先選擇小電流充電回路以小于0．1 C的電流對鋰電池進行充電，直到鋰電池電壓大于3．1 V；然后選擇大電流充電回路進行充電，直到鋰電池電壓等于4．2 V；最后再以小電流進行充電，直到所有電池電壓達到充電截止電壓4．25 V（對應的電流為0．01 C）為止。

供電管理根據(jù)蓄電池的荷電狀態(tài)保證有一塊容量相對充足的電池處于放電狀態(tài)，同時為了保證蓄電池的使用效率，正在供電的電池和正在充電的電池不會是同一個。電源系統(tǒng)不斷地檢測直流總線電壓，當?shù)陀谠O(shè)定閾值時，首先減小對鋰電池的充電電流，直至將充電的鋰電池停止充電，并將該鋰電池向負載供電，維持直流母線電壓不變。選擇鋰電池荷電狀態(tài)相對較大的電池投入工作，直至放電至荷電狀態(tài)到5%；再選擇另外一塊電池投入工作。

此外，充放電控制器內(nèi)設(shè)計有專門的放電通路，還在硬件上實現(xiàn)過流保護和過壓保護功能，在軟件上設(shè)定了最低放電電壓和最高充電電壓，防止過充和過放，實現(xiàn)對鋰電池充供電的多重保護。

4 系統(tǒng)測試

基于MPPT算法設(shè)計完成的在線監(jiān)測太陽能供電裝置，工作穩(wěn)定，運行良好。對于光伏陣列的最大功率跟蹤，也取得了較好的效果。如圖6（a）和圖6（b）分別是有MPPT控制和無MPPT控制時示波器上記錄的充電波形。有MPPT控制時陣列輸出電壓在最佳工作電壓18 V附近浮動，輸出電流為0．35 A，而無MPPT控制時，雖然輸出電壓比有MPPT時輸出電壓穩(wěn)定，但是陣列輸出電壓卻被拉低到4．4 V，電流也只有0．6 A。有MPPT控制時功率是普通控制時的近2．4倍。圖中看到輸出電壓有較小的交流成分，這是由于陣列電壓在最大功率點附近浮動的結(jié)果，如果將控制器的頻率提高，同時縮短兩次占空比調(diào)節(jié)間隔即可使輸出電壓波動顯著減小，另外還可以采取滯環(huán)設(shè)計來減小浮動。

圖6 （a） 有MPPT控制時充電波形

圖6 （b） 無MPPT控制時充電波形

本系統(tǒng)設(shè)計的太陽能供電模塊，在內(nèi)蒙古電網(wǎng)掛網(wǎng)運行半年，圖7是一段時間內(nèi)系統(tǒng)監(jiān)測到的電池電壓值，從圖7中我們可以看出在該時間段內(nèi)，電池電壓最小值都大于4 V，大部分時間都是在4．1 V到4．18 V之間，電池電壓保持較高值，電池充電電池電壓值上升明顯，充電電流較大，從側(cè)面反映MPPT調(diào)節(jié)起到了作用。監(jiān)測數(shù)據(jù)表明太陽能光伏供電系統(tǒng)現(xiàn)場運行良好，穩(wěn)定，完全滿足要求。

圖7 電池信息圖

5 結(jié)束語

多電池組太陽能供電系統(tǒng)在不改變現(xiàn)有拓撲的情況下可有效地適應不同的應用工況，同時采用電池組輪換供電的方式，可大大提高系統(tǒng)的可靠性。實驗測試表明基于多電池組的太陽能供電系統(tǒng)運行情況良好，滿足現(xiàn)場需要。

［1］趙爭鳴，劉建政．太陽能光伏發(fā)電及其應用［M］．北京：科學出版社，2005：95－99，257．

［2］俞登科，余向森，許金彤．一種應用于輸電線路監(jiān)控系統(tǒng)的太陽能供電系統(tǒng)［J］．華東電力，2011，40（8）：1349－1352．

［3］王小強，歐陽駿，紀愛國．無線傳感器網(wǎng)絡節(jié)點太陽能供電系統(tǒng)設(shè)計［J］．單片機與嵌入式系統(tǒng)應用，2012，12（3）：56－58，61．

［4］蘇建徽，余世杰，趙為，等．硅太陽能電池工程用數(shù)學模型［J］．太陽能學報，2001，22（4）：409－412．

［5］朱松然．鉛蓄電池技術(shù)［M］．2版．北京：機械工業(yè)出版社，2002．

［6］王金生，周慶申．通信太陽能供電系統(tǒng)對儲能用蓄電池的技術(shù)要求［J］．蓄電池，2010，49（3）：99－103，112．

Solar Power Supply System Based on Multiple Battery Packs

HE Zhi-min1，ZUO Shi-yan2，SHENWen3，YUE Tian-chen3，LIU Ya-dong3，SHENG Ge-hao3，JIANG Xiu-chen3
（1．Engineering Training Center of Shanghai University of Engineering Science，Shanghai201620，China；2．Jinshan Power Supply Co．of Shanghai Electric Power Co．，Shanghai200540，China；3．Department of Electrical Engineering of Shanghai Jiaotong University，Shanghai200240，China）

Energy capture technology is one of the two key issues concerning onlinemonitoring technology for the power transmission line．The multiple battery pack solar power supply system usesmultiple battery packs as energy storage elements tomanage the energy of each pack respectively．Even if one of the battery packs is abnormal，the system can stillwork．Furthermore，the system uses the principal and secondary solar battery boards，so that the secondary solar battery board can work when required to realize flexible configuration of battery boards．Experimental show that the solar power supply system based onmultiple battery packs can have good operation and meet the requirements on the spot．

MPPT；solar energy；battery pack；onlinemonitoring；energymanagement

10．3969／j·issn．1000－3886．2014．04．015

TM912

A

1000－3886（2014）04－0043－04

何志苠（1978－），女，湖北武漢人，講師，碩士，2003年畢業(yè)于華中科技大學電力工程系，主要從事電工理論和技術(shù)的研究。

定稿日期：2014－06－16

國家科技部國際合作項目（2013DFG71630）；上海市科委資助項目（13dz1201300）