萬小虎，趙玲霞，張芊蓉，張肅楠，盛海龍，祝 燎

（河西學(xué)院物理與機(jī)電工程學(xué)院，甘肅 張掖 734000）

1 引言

直輻射日照計對于了解太陽輻射變化、監(jiān)測天氣氣候狀況、分析和預(yù)報未來天氣及光熱電站對太陽能的監(jiān)測都具有重要的意義。直輻射日照計通常安裝在戶外，工作時需要持續(xù)穩(wěn)定的電源為其供電。目前，日照計供電電源要么采用市電，要么采用光伏供電電源。獨(dú)立的光伏供電電源對于安裝在戶外的直輻射日照計，顯然更加經(jīng)濟(jì)、便捷。

因此，本文針對日照計戶外供電問題設(shè)計了一款基于光伏電池供電的小功率直流電源，該電源主要包括光伏電池、鋰電池及充放電控制器等。為了使該電源能夠持續(xù)、穩(wěn)定地給日照計供電，設(shè)計的充放電控制器在充電時，能夠根據(jù)光照不同，可分別工作于Buck、Buck-Boost、Boost三種模式。同時，采用STM32單片機(jī)作為控制核心，搭建控制電路，驅(qū)動芯片選擇LM5109AM/NOPB，光伏電池及鋰電池直流電壓檢測電路依據(jù)電阻分壓原理進(jìn)行設(shè)計。

2 光伏供電電源的基本構(gòu)成

本文以太陽能光伏電池為電源，通過充放電控制器，對鋰電池進(jìn)行充電儲能的同時為日照計供電。以下將日照計簡稱負(fù)載。光伏供電電源結(jié)構(gòu)如圖1所示，該電源由光伏電池、DC-DC電路、鋰電池、直流負(fù)載、直流電壓電流檢測電路、驅(qū)動電路等構(gòu)成。其中，鋰電池的作用為在光照充足時存儲電能，以便在光照不足或無光照時給負(fù)載供電。其充放電控制主要通過單片機(jī)STM32控制DC-DC電路，并結(jié)合直流檢測電路及驅(qū)動電路共同實現(xiàn)。

圖1 光伏供電電源結(jié)構(gòu)圖

當(dāng)有光照時，光伏電池將吸收的太陽能轉(zhuǎn)化為電能，經(jīng)DC-DC電路對鋰電池進(jìn)行充電，同時為負(fù)載提供穩(wěn)定的直流電壓；當(dāng)無光照時，鋰電池釋放所儲存的電能為負(fù)載供能。光伏電池輸出側(cè)直流電壓、電流檢測一方面可實現(xiàn)光伏電池的MPPT控制，另一方面可防止因電壓電流過高損壞DC-DC電路中的功率器件。鋰電池直流電壓電流檢測電路，是防止其過放電現(xiàn)象的發(fā)生。

3 光伏供電系統(tǒng)的電路設(shè)計

3.1 DC-DC電路

DC-DC變換器是太陽能充電器的核心組成模塊。常用的DC-DC拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)形式主要有以下幾種：降壓斬波電路拓?fù)洌˙uck）、升壓斬波電路拓?fù)洌˙oost）、升降壓斬波電路拓?fù)洌˙uck-Boost）[1]。其中，Boost適用于太陽能電池輸出端電壓低于儲能電池端電壓場合；Buck適用于太陽能電池輸出端電壓高于儲能電池端電壓場合；Buck-Boost應(yīng)用在獨(dú)立的太陽能充放電控制器場合。本文所設(shè)計的太陽能充放電控制器，可根據(jù)光照分別工作于上述3種模式。電路結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 主電路結(jié)構(gòu)圖

工作原理：Q5與Q6分別是2只主控管，Q4與Q7分別是2只同步整流管。當(dāng)輸入電壓低于給定電壓時，該電路工作于Boost模式，此時Q5一直導(dǎo)通，而Q7則一直關(guān)斷，控制Q6實現(xiàn)對電壓的調(diào)節(jié)；當(dāng)輸入電壓高于給定電壓時，該電路工作于Buck模式，Q4一直導(dǎo)通，而Q6則一直關(guān)斷，控制Q5實現(xiàn)對電壓的調(diào)節(jié)；而當(dāng)輸入電壓介于給定電壓范圍之內(nèi)時，電路工作于Buck-Boost模式[2-3]。3種工作模式根據(jù)不同需要進(jìn)行切換，最終使DC-DC電路電壓穩(wěn)定在14.5 V左右。

當(dāng)光照充足時，光伏電池輸出電壓較高，主電路工作于Buck模式，將光伏電池輸出降壓后對鋰電池進(jìn)行充電，同時為負(fù)載提供電能；當(dāng)光照不足或無光照時，光伏電池輸出電壓可能低于鋰電池充電電壓，此時主電路工作于Boost模式，將光伏輸出電壓升高后給負(fù)載供電；當(dāng)光伏電池提供的電能不足以供負(fù)載使用時，鋰電池放電，為負(fù)載供能。當(dāng)光伏輸出電壓在設(shè)定范圍之內(nèi)，則主電路工作于Buck-Boost電路模式。

3.2 驅(qū)動電路

此電路采用LM5109AM/NOPB驅(qū)動芯片，如圖3中U8所示。MOSFET開通瞬間需要一個大的尖峰電流，定量計算出大約在0.6 A，而單片機(jī)輸出的電流大約在5 mA，遠(yuǎn)遠(yuǎn)滿足不了驅(qū)動作用[4]。因此，需要加入Q1、Q3射極跟隨器，用來放大電流，以達(dá)到驅(qū)動效果。

圖3 驅(qū)動電路

Q21、Q30均為NX7002AK,215，可起到硬件保護(hù)的作用。當(dāng)BKPS、BKPM同時出現(xiàn)高電平時，若沒有這2個元器件電路將會出現(xiàn)短路現(xiàn)象。而這2個元器件的存在，會將對方拉為低電平，從而起到硬件保護(hù)的作用。

3.3 檢測電路

通過電阻分壓對光伏電池及鋰電池輸出電壓和輸出電流進(jìn)行檢測，檢測電路如圖4所示。該電路采用NPN型的差分對[5-6]，Q10為比例電流源，電路的放大倍數(shù)為R111與R195之比。差分對為Q47左邊三極管和Q46左邊三極管所組成。采樣電流放大器由于負(fù)反饋作用可以用運(yùn)放的虛短路來分析采樣增益。由于深度負(fù)反饋運(yùn)放的輸入端短路使得Q47左邊三極管的發(fā)射極和Q46左邊三極管的發(fā)射極電位相等。

圖4 直流電壓檢測電路

4 仿真及實驗結(jié)果分析

為驗證光伏供電系統(tǒng)的可行性，應(yīng)用MATLAB對電路進(jìn)行仿真，仿真參數(shù)如下：直流負(fù)載參數(shù)為12 V/12 W；鋰電池選用12V/50AH磷酸鐵鋰電池；光伏電池功率為200 W，額定輸出電壓為18 V。

4.1 仿真結(jié)果分析

實際中根據(jù)光照強(qiáng)度的不同，光伏電池輸出電壓可分為3種情況，分別為高于額定電壓、等于額定電壓、低于額定電壓。在MATLAB仿真中，針對上述3種情形分別進(jìn)行了仿真，以驗證光伏電池輸出電壓在設(shè)定范圍內(nèi)變化時，所設(shè)計的DC-DC控制器均能將其輸出快速穩(wěn)定在目標(biāo)值上。

給定太陽能光伏板的輸出電流為3.8～4.0 A，輸出電壓為額定電壓18 V時，太陽能光伏電池輸出及DC-DC電路輸出仿真波形如圖5所示。

圖5 光伏電池輸出電壓為額定值時仿真波形

圖5（a）為光伏電池輸出電壓電流波形，圖5（b）為光伏電池輸出電壓為18 V時的DC-DC電路輸出電壓仿真波形，由圖5（b）可以看出，當(dāng)DC-DC電路的輸入電壓為18 V時，其輸出經(jīng)0.5 ms后可穩(wěn)定在14.6 V左右。

當(dāng)光伏電池輸出電壓低于額定值時，假設(shè)光伏板的輸出電壓為16 V，即DC-DC電路輸入電壓為16 V時，其輸出電壓仿真波形如圖6所示。

圖6 光伏電池輸出電壓低于額定電壓時的仿真波形

由圖6（a）、（b）可以看出，當(dāng)光伏電池輸出電壓低于額定值時，DC-DC電路也可以很快將其輸出電壓值穩(wěn)定在14.5 V左右。

當(dāng)光伏板的輸出電壓高于額定電壓時，假設(shè)此時光伏板的輸出電壓為20 V，此時光伏板的電壓電流輸出波形及DC-DC電路輸出電壓波形分別如圖7（a）、（b）所示。

圖7 光伏電池輸出電壓高于額定電壓時的仿真波形

由圖7（a）、（b）可以看出，當(dāng)光伏電池輸出電壓高于額定值時，DC-DC電路也能將其輸出電壓值穩(wěn)定在14.5 V左右。

4.2 實驗結(jié)果分析

為進(jìn)一步驗證基于光伏電池供電的直流電源設(shè)計方案的可行性，搭建了相應(yīng)的實驗電路。實驗參數(shù)如下：

日照計用DC12V/10W的LED燈代替；鋰電池選用12V/50AH磷酸鐵鋰電池；光伏電池功率為200 W，工作電壓為18 V，工作電流為9.23 A，開路電壓為22.41 V。

圖8為電路工作時光伏電池輸出電壓波形。

圖8 光伏電池輸出電壓波形

由圖8可以看出，電路工作時光伏電池輸出電壓維持在22.4～24 V，實驗時刻對應(yīng)輸出電壓為23.6 V。

圖9為光伏供電系統(tǒng)中DC-DC控制器輸出端直流電壓波形。

圖9 DC-DC控制器輸出側(cè)電壓波形

由圖9可以看出，在白天有光照時，光伏電池輸出電壓經(jīng)所設(shè)計的DC-DC控制器后，其輸出電壓相對穩(wěn)定。當(dāng)光伏電池輸出電壓在給定范圍內(nèi)變化時，DC-DC控制器的輸出直流電壓基本穩(wěn)定在14.6 V左右，滿足鋰電池充電電壓要求及直流負(fù)載供電要求。

5 結(jié)論

本文針對日照計戶外供電問題，設(shè)計了一款基于光伏電池供電的小功率直流供電電源，并設(shè)計了以STM32單片機(jī)為控制核心的DC-DC充放電控制器。最后，在MATLAB軟件中搭建了仿真模型，對光伏電池輸出電壓分別在等于額定電壓、高壓額定電壓及低于額定電壓3種情況下的DC-DC控制器的輸出進(jìn)行了仿真，并搭建了實驗電路，進(jìn)一步驗證了方案的可行性。結(jié)果表明，當(dāng)光伏電池的輸出電壓在設(shè)定范圍內(nèi)波動時，通過所設(shè)計的DC-DC電路的調(diào)節(jié)，可使其輸出電壓能夠穩(wěn)定到預(yù)設(shè)的固定值的偏差范圍內(nèi)。