蔡新梅，于 麗

基于單片機的船用太陽能充放電控制器的開發(fā)

蔡新梅1，于 麗2

（1. 遼寧省葫蘆島市渤海船舶職業(yè)學(xué)院電氣工程系，遼寧葫蘆島 125005；2. 中國石油集團川慶鉆探工程有限公司長慶鉆井總公司，西安 710021）

為了減少海洋污染，充分利用綠色能源，研究了太陽能電池板的特性。設(shè)計了利用單片機控制的太陽能充放電控制器，對部分電路進行仿真測試。通過太陽能電池板的輸出特性，找到了適合太陽能電池板的最佳輸出電壓及電流。利用上限及下限值設(shè)置，在單片機中通過程序控制電路是否充電。將船舶直流電源改為利用太陽能，綠色環(huán)保。

太陽能 充放電器 單片機

0 引言

目前船舶所用電能是由柴油發(fā)電機進行發(fā)電，由配電系統(tǒng)變?yōu)橐欢ǖ慕涣麟姾筝斔偷皆O(shè)備上，或者將電能儲存在蓄電池中，變?yōu)橹绷麟娸敵鼋o部分用電設(shè)備供電。隨著光伏技術(shù)的不斷發(fā)展，在船舶上使用太陽能光伏進行發(fā)電是一個綠色環(huán)保的趨勢。

船舶上應(yīng)用太陽能充放電是一種新的嘗試，目前市面上的充放電器種類很多，應(yīng)用場合也各有不同，但是船舶是一個特殊的載體，不同的船舶的結(jié)構(gòu)、高度、重量各有不同，因此不同船舶所用的太陽能充放電器要有針對性地進行設(shè)計，另外，船舶受天氣、海況的影響，所用元器件及其外圍保護要給予充分考慮。

1 船用太陽能充放電控制器設(shè)計方案

船用太陽能充放電器主要為船舶上使用直流24 V供電的設(shè)備供電，本設(shè)計采用單晶硅太陽能電池板，安裝在船舶頂棚向陽一側(cè)，太陽能電池板在有一定光照強度下的開路電壓為42 V，接入控制器后的電壓為34 V，蓄電池的電壓為20-28 V[1]。

為了檢測蓄電池工作是否正常，需要充放電控制器檢測蓄電池輸出電壓和輸出電流，具體要求如下：

1）當檢測到蓄電池電壓達到一定值時，使用控制器控制連接太陽能電池板與蓄電池之間的MOS管的開關(guān)，以PWM的方式，降低充電電流以進一步為蓄電池充電，直到最后用很微小的電流將蓄電池電壓維持在某一固定值。

當控制器檢測到蓄電池輸出電壓高于太陽能電池板輸出電壓則自動關(guān)閉充電系統(tǒng)。

2）當蓄電池電壓低于20 V時，自動關(guān)斷負載（欠壓關(guān)斷）并報警。當電壓從20 V回升到25 V時自動接通負載。

3）當控制器檢測到放電電流高于12 A，則控制器要自動切斷負載并報警。

2 船用太陽能充放電控制器設(shè)計

船用太陽能充放電控制器硬件設(shè)計如圖1所示，太陽能電池板將光能轉(zhuǎn)換為電能，單片機對太陽能電池板輸出電壓及電流進行采樣，將其電壓與電流與充電蓄電池當前電壓與電流進行比較，當前者小于后者時，對蓄電池進行充電，當采樣電壓不在正常范圍內(nèi)則啟動報警功能。太陽能充放電控制器硬件電路如圖1所示[2]。

圖1 太陽能充放電控制器硬件電路框圖

2.1 船用太陽能充放電器主電路設(shè)計

控制器系統(tǒng)主電路如圖2所示，控制器主要由太陽能電池板、BUCK降壓電路、開關(guān)管IGBT驅(qū)動電路、采樣電路、及外圍輸出電路構(gòu)成。

圖2 控制器系統(tǒng)主電路

太陽能電池板將光能轉(zhuǎn)換為電能，根據(jù)太陽能電池板特性及工作原理，以及影響太陽能電池工作效能的因素，太陽能電池板的輸出電流與輸出電壓的關(guān)系為[3]：

式中，：太陽能電池板的輸出電流(A)；：太陽能電池板的輸出電壓(V)；：單個電子所含的電荷量(l.6x10-19C)；：波爾茲曼常數(shù)(l.38×10－23J/K)；：太陽能電池板表面溫度(K)；：太陽能電池板的理想因數(shù)(n=1-5)；0：表示太陽能電池板的逆向飽和電流。

由此可得到太陽能電池板不同照射度和不同溫度條件下的曲線，如圖3所示。

圖3 太陽能電池I-V特性曲線

由圖3特性曲線可以看出輻照度主要影響太陽能電池的短路電流，溫度主要影響太陽能電池的開路電壓，所以電路中要有保護電路，從圖中還可以看出，太陽能電池板輸出穩(wěn)定電壓為15 V，所以BUCK電路輸入電壓設(shè)定為15 V。

2.2 BUCK電路設(shè)計與仿真

由于太陽能電池板可以將光能轉(zhuǎn)換為直流電源，但這個電源隨著光強的變化而變化，很不穩(wěn)定，為了給蓄電池提供可靠穩(wěn)定的直流電源需要用到DC/DC變換電路，再利用變換電路來實現(xiàn)太陽能電池內(nèi)阻與外電路的等效阻抗進行匹對，從而保證太陽能電池的最大輸出功率，本設(shè)計采用的是BUCK電路，電路設(shè)計及仿真如圖4、5所示[4]。

圖4 BUCK仿真電路

圖5 BUCK電路仿真波形

2.3 過流保護電路

過流保護電路如圖6所示，利用100 kΩ電阻進行限流，通過比較器LM311對采樣電流轉(zhuǎn)換的電壓進行比較，LM311的3腳接10 kΩ 電位器用以調(diào)節(jié)比較基準電壓，輸出后接100 Ω的限流電阻與后面的220 μF電容形成保護時間控制。當電流過流時，比較器輸出高電平保護，防止損壞后續(xù)電路[5]。

圖6 過流保護電路

3 船用太陽能充放電控制器軟件設(shè)計

本設(shè)計采用單片機進行控制，主要涉及到太陽能電池板輸出電壓及輸出電流采樣，如果輸出電壓及電流超出預(yù)設(shè)保護值，則系統(tǒng)控制電路不給蓄電池充電，如果輸出值在保護值范圍內(nèi)，且在蓄電池電壓降至某一值時給蓄電池充電，當充電結(jié)束后自動中斷充電回路，以保證充電可靠有效，同時，單片機將蓄電池當前值顯示出來，如果由于不當原因使蓄電池輸出電壓或電流不在正常值范圍內(nèi)，則進行報警，系統(tǒng)主程序流程圖如圖7所示。

圖7 系統(tǒng)主程序流程圖結(jié)束

4 小結(jié)

本設(shè)計采用單片機來控制太陽能充放電器，該設(shè)備能可靠有效地運行，外部有采樣電路、電壓、電流保護電路、顯示電路、報警電路等，在軟件設(shè)計中采用太陽能電池板輸出電壓、電流及蓄電池輸出電壓及電流進行采樣的方法，利用上限值和下限值決定對設(shè)備是否充電，從而進一步保護了硬件電路。

[1]楊金煥. 太陽能光伏發(fā)電應(yīng)用技術(shù)[M]. 北京: 電子工業(yè)出版社, 2009.

[2]胡雨亭. 太陽能充放電控制器的研究[D]. 北京：北京交通大學(xué), 2013.

[3]林靜. 光伏充放電器及其應(yīng)用研究[D]. 北京：北京交通大學(xué), 2014.

[4]劉清. 船用太陽能電池組件日光照射性能仿真[J]. 艦船科學(xué)技術(shù). 2016,(12): 40-42.

[5]劉超然, 康建軍等. 海洋型光伏充放電控制器的設(shè)計研究[J]. 海洋技術(shù)學(xué)報. 2015, (10): 43-46.

Development of Marine Solar Charge and Discharge Controller Based on Single-Chip Microcomputer

Cai Xinmei1, Yu Li2

(1. Bohai Shipbuilding Vocational College, Huludao 125005, Liaoning, China; 2. China Petroleum Group Chuanqing Drilling Engineering Co., Ltd. Xi'an 710021, China)

TM571

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1003-4862（2019）03-0026-03

2018-10-30

蔡新梅（1979-），女，副教授。研究方向：電子與通信技術(shù)的教學(xué)與研究。E-mail: caixinmei@sina.com