顧瀟，李賀

（1.上海大學(xué)，上海 200444；2.國網(wǎng)上海市電力公司浦東供電公司，上海 200122）

太陽能電池在被使用時(shí)所輸出的電流、電壓會(huì)受到諸多因素的干擾，例如：外界環(huán)境狀況、光照強(qiáng)度、負(fù)載情況等，原有的恒壓、脈沖等傳統(tǒng)充電方式已經(jīng)能滿足當(dāng)前的需要。對(duì)光伏充電系統(tǒng)而言，不但可以完成最大功率點(diǎn)的追蹤，又可以有效延長蓄電池的使用壽命。筆者所研究的光伏充電系統(tǒng)是以Cuk 電路為充電主回路，以dsPIC30F5011 單片機(jī)為主控制器，以光伏電池電壓電流和蓄電池端電壓、蓄電池溫度以及充電電流為基本檢測目標(biāo)的；此外，它還按照蓄電池電壓的差異，分為四個(gè)作業(yè)階段，分別是欠電壓充電、快速充電、過充和浮充。那些被過量使用的蓄電池可以借助涓流進(jìn)行激活操作，最大功率點(diǎn)可以及時(shí)追蹤并體現(xiàn)外界環(huán)境的實(shí)時(shí)變化，從而提升光伏陣列的利用率；過充令蓄電池滿電，而浮充則是為了彌補(bǔ)由于蓄電池自身放電損失掉的電量。

1 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)

輔助電源、太陽能光伏陣列、蓄電池、核心單片機(jī)控制電路、驅(qū)動(dòng)隔離電路、采樣電路、LCD 顯示電路、顯示燈和按鍵電路、保護(hù)電路、DC/DC 轉(zhuǎn)換電路等共同構(gòu)成了光伏充電系統(tǒng)。

在一個(gè)光伏充電系統(tǒng)中，單片機(jī)控制電路作為此系統(tǒng)的關(guān)鍵，通過采樣電路對(duì)光伏電流、電壓，蓄電池電壓、電流及溫度等關(guān)鍵參數(shù)的采集，進(jìn)而評(píng)估蓄電池的充電狀態(tài)。另外，依據(jù)不同的充電形態(tài)，我們選擇適宜的充電算法控制PWM 的占空比，并且通過驅(qū)動(dòng)隔離功率管對(duì)蓄電池完成充電，然后經(jīng)由SCI 口像LCD 顯示器里傳輸所需的數(shù)據(jù)信息，使用者就能夠在顯示器當(dāng)中對(duì)光伏電流及電壓、蓄電池電流及電壓、外界環(huán)境狀況等重要的系統(tǒng)數(shù)據(jù)進(jìn)行查找，同時(shí)又可以通過指示燈對(duì)系統(tǒng)狀態(tài)進(jìn)行檢測。

其中，輔助電源給驅(qū)動(dòng)隔離電路提供+24V 電源，給采樣電路提供+-12V、+5V 電源，給顯示電路和控制電路分別提供+5V 電源；保護(hù)電路給系統(tǒng)提供過電流和過電壓、過熱以及過充保護(hù)，從而確保系統(tǒng)的流暢運(yùn)作；與此同時(shí)，軟啟動(dòng)電路能夠有效減少系統(tǒng)啟動(dòng)環(huán)節(jié)中引起的各類沖擊。主回路能夠選用的拓?fù)浒╞uck、boost、Cuk 電路等。在這些電路中，boost 電路僅可以完成升壓操作，buck 電路相反只能夠作降壓處理，所以電路缺乏足夠的實(shí)用性；即使有些電路可以同時(shí)完成升壓與降壓，但是由于電流紋波太大，故也不是非常適用。因此，本文相較之下選擇了Cuk 電路當(dāng)作光伏試驗(yàn)系統(tǒng)的主回路。我們主要考慮的是Cuk 電路輸出電壓范圍較大，同時(shí)其電路結(jié)構(gòu)也絲毫不煩瑣，在具備連續(xù)性電流輸入及輸出功能的同時(shí)，又擁有較小的紋波分量，再加上對(duì)輸入及輸出電感耦合的相關(guān)處理，便能夠發(fā)揮良好的濾波效果。除了有助于收集電流外，還有助于蓄電池使用時(shí)間的延長。

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

本文所設(shè)計(jì)研究的光伏充電系統(tǒng)程序主要是由系統(tǒng)主程序、PI 調(diào)節(jié)、電壓及電流采集、PWM 波輸出、最大功率點(diǎn)跟蹤、按鍵處理、系統(tǒng)狀態(tài)數(shù)據(jù)輸送等共同構(gòu)成的。

（1）光伏充電主程序。依照蓄電池端電壓由低到高，光伏充電系統(tǒng)的基本環(huán)節(jié)主要包括欠壓充電、高速充電、過沖和浮充等幾個(gè)方面。由此設(shè)計(jì)了光伏充電的程序，其基本的流程圖如圖1 所示。

圖1

（2）最大功率點(diǎn)跟蹤。下面我們對(duì)最大功率點(diǎn)跟蹤的主要原理進(jìn)行詳細(xì)的解析：即對(duì)某個(gè)特定內(nèi)阻的線性電路，根據(jù)內(nèi)外阻值相同的方法取得最優(yōu)的充電功率，對(duì)于光伏充電系統(tǒng)則可借助對(duì)相關(guān)轉(zhuǎn)換電路里開光管的導(dǎo)通率，即為對(duì)開光管中PWM 波占空比進(jìn)行改動(dòng)，進(jìn)一步恒定蓄電池的內(nèi)部阻力，上述便是最大功率點(diǎn)跟蹤的主要原理。特別需要注意的一點(diǎn)為，如果充電電流超出最大限定值時(shí)，我們需要利用最大功率點(diǎn)跟蹤算法，以最高功率給蓄電池充電。

（3）PI 調(diào)節(jié)。如果我們對(duì)蓄電池不合理操作和使用，將會(huì)導(dǎo)致蓄電池端電壓小于預(yù)設(shè)定的數(shù)值，如此一來，我們就需要用到PI 調(diào)節(jié)算法，并且借助預(yù)設(shè)的額定充電電流來展開充電活動(dòng)，這樣做的目的是激活蓄電池；與此同時(shí)，使用最大功率充電蓄電池的電量只能回復(fù)到額定電量的五分之四，此外還必須根據(jù)PI 調(diào)節(jié)算法設(shè)定一個(gè)較為穩(wěn)定的電流值完成對(duì)蓄電池的充電操作，從而使得蓄電池電量能夠達(dá)到最大額定值；考慮到蓄電池自身會(huì)釋放電流，為彌補(bǔ)由于蓄電池自身放電而流失掉的電量，此時(shí)就應(yīng)當(dāng)使用具備溫度補(bǔ)償?shù)腜I 調(diào)節(jié)算法，同時(shí)利用伴隨外界溫度變動(dòng)而變動(dòng)的浮充電壓，更低的電流對(duì)蓄電池進(jìn)行充電操作。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)論與分析

結(jié)合上文中的研究，要想保證蓄電池的連續(xù)充電，實(shí)現(xiàn)最大功率點(diǎn)的實(shí)時(shí)追蹤，我們?cè)谟嘘P(guān)的試驗(yàn)中就需要使用到1kW 長弧對(duì)太陽能電池板進(jìn)行仿真模擬。下面的圖2 反映的是光伏充電系統(tǒng)在最大功率點(diǎn)處運(yùn)行的波形圖，其中CH1、CH2 代表的分別為充電電壓與充電電流。

圖2

根據(jù)圖2 內(nèi)容可知，當(dāng)光伏電池在最大功率點(diǎn)處運(yùn)行時(shí)，充電電流干擾不大而且充電電壓較為穩(wěn)定。除此之外，我們也設(shè)計(jì)了光伏充電設(shè)備，目的是完成對(duì)蓄電池的四段法充電，并且擁有較高的精確度。為考證光伏充電系統(tǒng)最大功率點(diǎn)追蹤的各項(xiàng)性能，在快速充能階段，借助對(duì)長弧燈和電池板二者間距離的改動(dòng)可以調(diào)節(jié)光照，并且系統(tǒng)能夠快速搜尋至最大功率點(diǎn)處，同時(shí)維持穩(wěn)定狀態(tài)。

4 結(jié)語

綜上所述，本文中所設(shè)計(jì)與研究的光伏充電系統(tǒng)依據(jù)電池容量、電壓等參數(shù)，將充電過程細(xì)分為了四個(gè)階段，系統(tǒng)借助涓流激活蓄電池，浮充彌補(bǔ)了蓄電池放電所損耗掉的電量，過充令蓄電池電量滿滿。這一系統(tǒng)基于電導(dǎo)增量的最大功率點(diǎn)跟蹤方法，可以迅速感知環(huán)境狀況的變動(dòng)，提升光伏陣列的利用率，并有效延長蓄電池的使用壽命。