苗鳳娟，劉統(tǒng)凱，陶佰睿，安子建，王 喆

(1.齊齊哈爾大學(xué)通信與電子工程學(xué)院，黑龍江齊齊哈爾161000；2.西安電子科技大學(xué)電子工程學(xué)院，陜西西安710000)

基于PIC微控制器的獨(dú)立光伏快速充電器設(shè)計(jì)

苗鳳娟1，劉統(tǒng)凱1，陶佰睿1，安子建2，王 喆1

(1.齊齊哈爾大學(xué)通信與電子工程學(xué)院，黑龍江齊齊哈爾161000；2.西安電子科技大學(xué)電子工程學(xué)院，陜西西安710000)

最大功率點(diǎn)跟蹤(MPPT)技術(shù)是通過調(diào)整光伏電池工作點(diǎn)從而最大化發(fā)揮太陽電池效率的一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)。設(shè)計(jì)了一種具有MPPT功能的獨(dú)立光伏快速充電器，主電路為Buck電路，控制電路主控芯片選用PIC單片機(jī)。MPPT算法采用一種改進(jìn)型擾動(dòng)觀測(cè)法并對(duì)其進(jìn)行了驗(yàn)證，同時(shí)對(duì)蓄電池進(jìn)行了充電測(cè)試。充電完成時(shí)間與充電后蓄電池荷電狀態(tài)表明所設(shè)計(jì)的充電器可高效、穩(wěn)定工作，經(jīng)過改進(jìn)，可對(duì)遠(yuǎn)離電網(wǎng)的多種野外用電設(shè)備蓄電池進(jìn)行充電。

獨(dú)立光伏系統(tǒng)；充電器；PIC；最大功率點(diǎn)跟蹤

在遠(yuǎn)離電網(wǎng)地處偏僻地區(qū)或拉線不方便等情況下，太陽能供電成為野外設(shè)備供電的一種重要方案。由于日光的不連續(xù)性，對(duì)于功耗一定的用電設(shè)備，提高光伏電池利用率不僅可減少電池板面積、降低成本，同時(shí)可大大增強(qiáng)供電的可靠性。最大功率點(diǎn)跟蹤(MPPT)技術(shù)能有效提高光伏電池利用率，技術(shù)方法很多，各種控制方法各有其優(yōu)缺點(diǎn)。由于算法復(fù)雜度、實(shí)現(xiàn)難易度等因素，擾動(dòng)觀測(cè)法是被研究最多、工程應(yīng)用最為廣泛的方法[1-3]。針對(duì)傳統(tǒng)擾動(dòng)觀測(cè)法存在的缺陷，本文應(yīng)用一種改進(jìn)型擾動(dòng)觀測(cè)法設(shè)計(jì)了一種獨(dú)立光伏快速充電器，并對(duì)MPPT算法進(jìn)行了驗(yàn)證，對(duì)蓄電池進(jìn)行了充電測(cè)試。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)組成包括光伏電池板、充電控制器和蓄電池。圖1給出了系統(tǒng)組成框圖，充電控制器主要由以下部分組成：

(1)DC/DC變換器：根據(jù)系統(tǒng)規(guī)格選用降壓電路(Buck)，由MOSFET、續(xù)流二極管、輸出濾波電感、濾波電容組成。

圖1 系統(tǒng)組成框圖

(2)MOSFET驅(qū)動(dòng)電路：選用MOSFET驅(qū)動(dòng)芯片IR2117，將來自單片機(jī)的PWM信號(hào)進(jìn)行放大處理后控制MOSFET的開關(guān)。

(3)傳感器電路：檢測(cè)范圍包括光伏電池的輸出電壓、電流，蓄電池的電壓、電流和蓄電池的溫度。

(4)單片機(jī)：包含單片機(jī)和外圍電路以及控制算法。

2 硬件設(shè)計(jì)

2.1 主電路設(shè)計(jì)

主電路選用Buck電路，Buck電路不僅結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、容易控制而且轉(zhuǎn)換效率較高，經(jīng)常用于太陽電池MPPT、光伏直流電機(jī)控制等。光伏陣列輸出端并聯(lián)電容可保證光伏電池輸出電流的連續(xù)性，負(fù)載端電容在MOSFET關(guān)斷時(shí)有利于保持負(fù)載電流電壓。改變開關(guān)占空比的方式有PWM、PFM和二者混合調(diào)制，在設(shè)計(jì)中選用PWM方式。微控制器通過采集光伏電池工作電壓電流，比較擾動(dòng)前后功率變化，通過MPPT算法產(chǎn)生PWM控制脈沖來調(diào)節(jié)Buck電路的開關(guān)占空比，從而調(diào)節(jié)光伏電池工作點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)最大功率點(diǎn)跟蹤。圖2為主電路拓?fù)鋱D。

圖2 太陽能充電器主電路拓?fù)?/p>

2.2 單片機(jī)最小系統(tǒng)

控制系統(tǒng)選用具有高性能RISC CPU的快速單片機(jī)PIC16F877作為核心處理芯片，該芯片最多可接受14個(gè)中斷源，具有模數(shù)轉(zhuǎn)換器，最多可輸入8個(gè)模擬量，具有CCP(capture/compare/pwm)模塊。太陽電池板輸出電壓、電流，蓄電池電壓、充電電流與溫度信息分別通過模擬量輸入端口RA0、RA1、RA2、RA3、RE0進(jìn)行采集。溫度傳感器選用LM35D，其輸出電壓與溫度呈線性關(guān)系，使其工作于單電源供電模式。單片機(jī)對(duì)采集到的參數(shù)信息進(jìn)行運(yùn)算，通過CCP模塊產(chǎn)生PWM調(diào)節(jié)Buck電路占空比，從而實(shí)現(xiàn)最大功率跟蹤與蓄電池充電控制。圖3為單片機(jī)最小系統(tǒng)電路圖。

圖3 單片機(jī)最小系統(tǒng)電路

2.3 MOSFET驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)

作為控制電路與主電路之間的橋梁，驅(qū)動(dòng)電路對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的性能具有重要作用，設(shè)計(jì)良好的驅(qū)動(dòng)電路能夠縮短開關(guān)時(shí)間、提高運(yùn)行效率和可靠性。設(shè)計(jì)中采用了美國IR公司生產(chǎn)的驅(qū)動(dòng)單個(gè)MOSFET或IGBT的專用集成芯片IR2117，該芯片為八引腳雙列直插式，內(nèi)部集成有施密特觸發(fā)器、脈沖增益電路、欠壓檢測(cè)及保護(hù)電路、脈沖濾波器等。來自PIC單片機(jī)的控制脈沖經(jīng)由施密特整形后由增益電路進(jìn)行放大，然后經(jīng)過電平移位匹配、觸發(fā)后通過互補(bǔ)推挽輸出級(jí)輸出。圖4為IR2117與Buck電路連接圖。

圖4 MOSFET驅(qū)動(dòng)電路

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

圖5為充電控制流程圖。蓄電池的充電狀態(tài)通?？捎眯铍姵囟穗妷罕憩F(xiàn)，因此蓄電池端電壓被用來判斷蓄電池是否需要最大限度獲得光伏電池板能量。在充電過程中不斷檢測(cè)蓄電池端電壓和充電電流，若充電電流Ic大于設(shè)定充電限制電流Ilim，則減小占空比，控制充電電流大小。若充電電流小于限制電流，則將蓄電池端電壓Vbat與設(shè)定電壓值Vmax比較，若超出設(shè)定電壓，則需要調(diào)整占空比減小充電電壓；若在限定值之內(nèi)則進(jìn)行最大功率點(diǎn)跟蹤，增大光伏電池輸出功率。大約70%的電池容量是在大電流快充階段恢復(fù)，小電流補(bǔ)足充電恢復(fù)蓄電池全部容量。停充控制選用溫度控制法，蓄電池在未充滿電狀態(tài)時(shí)溫度變化不明顯，一旦蓄電池過充，溫度會(huì)迅速上升，當(dāng)兩個(gè)采樣周期溫度差值大于設(shè)定額定值時(shí)便結(jié)束充電。蓄電池由大電流轉(zhuǎn)為小電流充電時(shí)，光伏電池工作電壓若在最大功率點(diǎn)右側(cè)，則最初輸出功率可能會(huì)隨著占空比減小反而升高，此時(shí)用大步長迅速減小光伏電池板工作點(diǎn)電壓，使其電壓工作于最大功率點(diǎn)左側(cè)，然后用小步長調(diào)節(jié)電流大小。

圖5 充電控制流程

光伏電池的P-U曲線最大功率點(diǎn)附近可近似看做一小段正弦波波峰，最大功率點(diǎn)左側(cè)曲線可近似看做斜率為正的一條直線，最大功率點(diǎn)右側(cè)部分可近似看做斜率為負(fù)的一條直線。那么變化的步長可表示為：ΔU(k+1)=M|ΔP(k)/ΔU(k)|，比例系數(shù)M為一常數(shù)，取值由系統(tǒng)特性決定。當(dāng)ΔP(k)/ΔU(k)變化較小時(shí)，功率變化由擾動(dòng)引起；當(dāng)ΔP(k)/ΔU(k)變化較大時(shí)，功率變化主要由環(huán)境因素決定，此時(shí)加大步長能有效提高動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度。MPPT控制流程如圖6所示。ΔP＜A表示功率變化小于判定值A(chǔ)，可認(rèn)為工作于最大功率點(diǎn)而不改變工作電壓。

圖6 MPPT控制流程

4 算法驗(yàn)證與充電測(cè)試

MPPT算法驗(yàn)證：用了1 W、5 V的太陽電池板，負(fù)載為兩節(jié)串聯(lián)鋰電池，開關(guān)頻率50 kHz。從圖7可以看出未啟用MPPC時(shí)電壓高而功率與電流較小，啟用MPPC后功率與電流明顯提升，而電壓有所下降。

圖7 MPPT算法驗(yàn)證測(cè)試

蓄電池充電測(cè)試：光伏電池選用50 W多晶硅太陽電池板，開路電壓22 V，轉(zhuǎn)換效率17%。蓄電池選用12 V 14 Ah鉛酸免維護(hù)電池。測(cè)試當(dāng)天晴朗無云，從中午10點(diǎn)開始對(duì)蓄電池進(jìn)行空負(fù)載充電，對(duì)蓄電池端電壓進(jìn)行檢測(cè)，圖8顯示了充電過程中蓄電池端電壓變化情況。充電完成時(shí)蓄電池端電壓為14.4 V，靜置一段時(shí)間后，蓄電池端電壓下降到12.6 V，基本達(dá)到滿荷電狀態(tài)。

圖8 充電過程蓄電池端電壓變化曲線

5 結(jié)語

對(duì)MPPT算法的驗(yàn)證說明了該算法設(shè)計(jì)合理，可顯著提高光伏電池效率，獲得更多電量。對(duì)蓄電池的充電測(cè)試表明該光伏充電系統(tǒng)工作穩(wěn)定可靠，相對(duì)于沒有MPPT功能的充電器，可以更快完成對(duì)蓄電池的充電。該充電系統(tǒng)成本低，具有一定的實(shí)用和推廣價(jià)值，可應(yīng)用于野外監(jiān)測(cè)、通信等多種用電設(shè)備的蓄電池充電。

[1]KARAMI N,MOUBAYED N,OUTBIB R.Analysis and implementation of an adaptative PV based battery floating charger[J]. Solar Energy,2012,86:2383-2396.

[2]宋亮，王曉東，劉雯，等.光伏電池MPPT擾動(dòng)觀察法的研究現(xiàn)狀[J].半導(dǎo)體光電，2012，33(4)：455-462.

[3]LIU X,LOPES L A C.An improved perturbation and observation maximum power point tracking algorithm for PV arrays[J].Power Electronics Specialists Conference,2004(3):2005-2010.

Design of stand-alone photovoltaic quick charger based on PIC microcontroller

MIAO Feng-juan1,LIU Tong-kai1,TAO Bai-rui1,AN Zi-jian2,WANG Zhe1
(1.School of Communication and Electronic Engineering,Qiqihar University,Qiqihaer Heilongjiang 161000,China;2.School of Electronic Engineering,Xi'an University of Electronic Science and Technology,Xi'an Shanxi 710000,China)

Maximum power point tracking(MPPT)is a key technology of modulating working point of the solar panels to obtain maximum power.A stand-alone PV quick charger with MPPT was designed.A Buck circuit and PIC single chip microcomputer were used as main circuit and main control chip in control circuit.A kind of improved perturb and observe algorithm was used and validated, and the battery charging was tested. The charging time and SOC demonstrate the system efficiently and steadily operates,and it can be used to charge various electrical equipment batteries away from the grid after improved.

stand-alone photovoltaic system;charger;PIC;MPPT

TM 914

A

1002-087 X(2015)08-1736-03

2015-01-20

國家自然科學(xué)基金(61204127)；黑龍江省自然科學(xué)基金 (F201332)；黑龍江省普通高等學(xué)校新世紀(jì)優(yōu)秀人才培養(yǎng)計(jì)劃(1253-NECT025)

苗鳳娟(1982－)，女，黑龍江省人，博士，副教授，主要研究方向?yàn)槲鞲衅骷夹g(shù)、無線傳感網(wǎng)絡(luò)、新能源器件。