王紹武

（平頂山工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 自動(dòng)化與信息工程學(xué)院，河南平頂山，467001）

0 引言

太陽(yáng)能電池制造由于技術(shù)上的精進(jìn)，使其成本逐漸降低，國(guó)內(nèi)有許多有關(guān)于太陽(yáng)能發(fā)電技術(shù)應(yīng)用于照明系統(tǒng)，其中，針對(duì)電動(dòng)車的能源電池，設(shè)計(jì)成一個(gè)簡(jiǎn)單、便利及高效率的復(fù)合式電池系統(tǒng)，電源供應(yīng)器采用多組并聯(lián)使用，可以提供電子設(shè)備高可靠度及大電流輸出的電源供應(yīng)需求。但并聯(lián)電源供應(yīng)器必須藉由均流控制技術(shù)，才能確保負(fù)載電流均勻地分配至每一個(gè)模塊上。本文采用微控制器Microchip PIC18，可同時(shí)做升降壓控制，電池狀態(tài)偵測(cè)、判斷控制器送出信號(hào)控制復(fù)合電池充放電，提升充電效能及使用壽命，最后并使用Minitab軟件進(jìn)行模擬及分析驗(yàn)證可行性。

1 研究方法

鉛酸電池雖具設(shè)置成本低的優(yōu)點(diǎn)，然而重量重、體積大、3～4年需更換電池及需增加電池更換費(fèi)用缺點(diǎn)；其次，鋰鐵電池則有充放電效率極佳、壽命超長(zhǎng)優(yōu)點(diǎn)，不過(guò)唯一缺點(diǎn)是設(shè)置成本高昂。因此本文整合兩種電池優(yōu)點(diǎn)，提出復(fù)合電池概念遠(yuǎn)比鉛酸電池有較佳充放電效率、壽命增加3倍等的優(yōu)點(diǎn)，若鉛酸電池容量為鋰鐵電池約3倍，不僅充放電效率佳、提高照明亮度、壽命長(zhǎng)而且汰換電池率低、降低維護(hù)費(fèi)。

圖1為本系統(tǒng)架構(gòu)，可分成：電力部分和控制部分。其中電力部分是由：太陽(yáng)能電池模塊、降壓調(diào)整器、鋰鐵及鉛酸電池、LED模塊所組成，太陽(yáng)能電池模塊功能是由光能轉(zhuǎn)換成電能，由降壓調(diào)整器將太陽(yáng)能電池電壓降至鋰鐵及鉛酸電池可接受充放電范圍，得以保護(hù)電池的壽命，此外，并供給LED模塊點(diǎn)亮。另外控制部分可分成：太陽(yáng)能電池電壓與鋰鐵及鉛酸電池定電壓反饋、全對(duì)稱型放大電路、光耦合器TLP250、太陽(yáng)能電池、鋰鐵及鉛酸電池電流放大器以及微控制器。以下針對(duì)上述方框圖進(jìn)行功能說(shuō)明。

圖1 系統(tǒng)架構(gòu)圖

■1.1 系統(tǒng)架構(gòu)介紹

1.1.1 電力部分

（1）太陽(yáng)能電池模塊

考慮系統(tǒng)之需求，采用太陽(yáng)能電池為日本KYOCERA公司產(chǎn)品，選用此廠牌原因?yàn)槌杀据^為低廉，可應(yīng)用于低功率電力應(yīng)用系統(tǒng)。太陽(yáng)能電池功率輸出為87 W，最大輸出電壓17.4 V，最大輸出電流5.02 A，開(kāi)路輸出電壓21.7 V，短路輸出電流為8.02 A。

（2）降壓調(diào)整器

在許多工業(yè)應(yīng)用中，需要將定值之直流電壓源轉(zhuǎn)換為一可變之直流電壓源。DC-DC轉(zhuǎn)換器能夠直接地將直流轉(zhuǎn)換為直流，亦即為直流轉(zhuǎn)換器。直流轉(zhuǎn)換器可以被視為一匝數(shù)比可連續(xù)變化之交流變壓器。如同變壓器一般，能夠?qū)⒁恢绷麟妷涸从枰越祲夯蛏龎?，圖2為降壓調(diào)整器。采用降壓調(diào)整器將太陽(yáng)能電池電壓降至鋰鐵及鉛酸電池能夠承受的電壓對(duì)電池充電，主要避免電池過(guò)充而損壞，采用降壓調(diào)整器，輸出電壓平均值Vo小于輸入電壓VS。

圖2 降壓調(diào)整器

（3）采用兩種電池

鋰鐵與鉛酸電池，電池之特性敘述如下：

I鋰鐵電池：磷酸鋰鐵（分子式LiMPO4，簡(jiǎn)稱LFP），本文使用國(guó)際超能源高科技股份有限公司所生產(chǎn)的鋰鐵電池，構(gòu)架為4顆串聯(lián)，5組并聯(lián)，其中一顆電池電壓與容量分別為3.2 V，即4× 3.2 V = 12.8 V；鋰鐵電池與鉛酸電池之容量比為1:2.75，能維持陰天數(shù)約為3天，因此鋰鐵電池容量為鉛酸電池1/3。

II鉛酸電池：使用統(tǒng)一工業(yè)股份有限公司所生產(chǎn)的鉛酸電池，采用凝膠式深循環(huán)蓄鉛酸電池12 V免保養(yǎng)型太陽(yáng)能專用電池。

（4）LED模塊

照明系統(tǒng)采用白光LED，每一顆LED之額定功率為1 W。為了達(dá)到20 W輸出功率，20顆LED以2顆串聯(lián)后并聯(lián)10串之方式排列成LED模塊，每路LED發(fā)光模塊所生產(chǎn)額定驅(qū)動(dòng)電流為400mA，在額定電流驅(qū)動(dòng)下其輸出流明數(shù)為1776Lm。假設(shè)有平均有3小時(shí)等效日照時(shí)數(shù)，則每天消耗電量預(yù)估為20 W× 3 h = 60 Wh。

1.1.2 控制部分

包括太陽(yáng)能電池電壓與鋰鐵及鉛酸電池定電壓反饋、全對(duì)稱型放大電路、光耦合器TLP250以及PIC18F微控制器。

Microchip發(fā) 展 自 從PIC10、12與16系 列 基 本8位微控制器，至今仍是市場(chǎng)基本微控制器主流產(chǎn)品。近年Microchip成功發(fā)展更進(jìn)步產(chǎn)品，所謂PIC18系列微控制器。PIC18系列控制器是Microchip在8位微控制器高階產(chǎn)品，不只全系列皆配置硬件乘法器，具有不同產(chǎn)品搭配，相關(guān)周邊硬件都可在PIC18系列微控制器開(kāi)發(fā)C18C語(yǔ)言程序編譯器，提供使用者更有效率程序撰寫(xiě)工具。

■1.2 復(fù)合電池切換原理

主要透過(guò)太陽(yáng)能發(fā)電模塊，經(jīng)由充電控制器分別對(duì)復(fù)合電池充電，提升電池之利用率，并有效延長(zhǎng)照明時(shí)間與電池使用壽命。所提系統(tǒng)架構(gòu)，可分成圖3及圖4兩種模式說(shuō)明，

電池充放電優(yōu)先權(quán)（Priority）以鋰鐵電池為主，鉛酸電池為輔，主要原理分兩個(gè)模式探討：

1.2.1 模式1（天氣晴朗）

太陽(yáng)光充足時(shí)，太陽(yáng)能電池模塊吸收之太陽(yáng)光轉(zhuǎn)換為直流電輸出，電池狀態(tài)偵測(cè)、判斷控制器送出信號(hào)，使得充電控制及繼電器開(kāi)與閉合的動(dòng)作，剛開(kāi)始時(shí)，鋰鐵電池先充電至飽和電壓15 V，此時(shí)電池狀態(tài)偵測(cè)控制器再送出信號(hào)，繼電器切換至鉛酸電池充電至飽和電壓，先以鋰鐵電池充電，可獲極高效率，等效電路如圖3所示。

圖3 天氣晴朗鋰鐵先充電鉛酸后充電

1.2.2 模式2（陰天）

電池狀態(tài)偵測(cè)控制器會(huì)送出判斷信號(hào)，使得放電控制及繼電器切換至鋰鐵電池先放電，當(dāng)電池放電量不足11V時(shí)，繼電器切換至鉛酸電池放電，穩(wěn)定持續(xù)對(duì)負(fù)載供電，鋰鐵電池具切換次數(shù)壽命長(zhǎng)優(yōu)點(diǎn)，有效延長(zhǎng)負(fù)載供電時(shí)間，等效電路如圖4所示。

圖4 陰天或晚上鋰鐵先放電鉛酸后放電

所提太陽(yáng)能電池對(duì)復(fù)合電池充電，其中鋰鐵與鉛酸電池容量比例最佳化設(shè)計(jì)，攸關(guān)電池系統(tǒng)轉(zhuǎn)換效率。目標(biāo)函數(shù)以轉(zhuǎn)換效率為最大化，此外，使用Minitab軟件進(jìn)行模擬及分析，根據(jù)實(shí)際的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，描述受測(cè)試因子與目標(biāo)函數(shù)間相互關(guān)系的數(shù)學(xué)模式，進(jìn)一步借由此模式尋找極值點(diǎn)所在的位置。

2 結(jié)果與分析

■2.1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)備

此節(jié)系探討白天太陽(yáng)能電池對(duì)復(fù)合電池充電分析情形。為有效延長(zhǎng)負(fù)載照明時(shí)間，并提供負(fù)載更大輸出功率及縮短電池充電時(shí)間，因此將太陽(yáng)能電池輸出組合分為以下三種模式：?jiǎn)纹?yáng)能電池模塊、雙片太陽(yáng)能電池模塊串聯(lián)以及雙片太陽(yáng)能電池模塊并聯(lián)。太陽(yáng)能電池采用三種模式除可提高復(fù)合電池充電效率之外，亦可延長(zhǎng)晚上放電照明時(shí)間。

圖5為測(cè)量太陽(yáng)能電池模塊輸出功率MPPT過(guò)程，由圖中得知初始微控制器追蹤太陽(yáng)能電池輸出最大功率點(diǎn)時(shí)，隨著照度逐漸增加，電壓輸出漸漸降低，電流輸出也慢慢增加，由于電流增加速度遠(yuǎn)大于電壓降低，以至于約在34s時(shí)搜尋輸出功率最大點(diǎn)，因此可得到復(fù)合電池充電電壓平穩(wěn)輸出電壓。

圖5 MPPT追蹤過(guò)程

為有效延長(zhǎng)負(fù)載照明時(shí)間、提供負(fù)載更大輸出功率及縮短電池充電時(shí)間，因此太陽(yáng)能電池輸出組合方式分為三種模式。本文所采用太陽(yáng)能電池，每片輸出功率為87 W，為測(cè)試系統(tǒng)可靠度及有彈性調(diào)變系統(tǒng)充放電速率，太陽(yáng)能電池輸出能有彈性選擇三種模式測(cè)試及分析。圖6為本文設(shè)計(jì)電路及測(cè)量情況。此外，所提系統(tǒng)由太陽(yáng)能電池提供復(fù)合電池充電，白天電池為充電狀態(tài)，LED模塊并不會(huì)點(diǎn)亮，直到晚上電池提供LED模塊放電及點(diǎn)亮。由于太陽(yáng)光照度隨時(shí)會(huì)有變動(dòng)，因此太陽(yáng)能電池輸出功率隨照度而改變。本文實(shí)驗(yàn)分析以200 W/m2照度情況為例進(jìn)行測(cè)量分析。

圖6 本文設(shè)計(jì)電路及測(cè)量情況

2.1.1 單片PV模塊測(cè)量充電情形

圖7為太陽(yáng)能單片輸出模塊經(jīng)過(guò)降壓轉(zhuǎn)換電路對(duì)復(fù)合電池充電情形，當(dāng)單片太陽(yáng)能電池對(duì)復(fù)合電池充電時(shí)，由于采用PWM制定電壓充電技術(shù)，因此測(cè)量MOSFET兩端電壓工作周期之變化，分別為VGS之工作周期只有16.73%；VGS與VDS兩波形有緩沖時(shí)間延遲且呈180度反向，然而，MOSFET頻率則為61.07 kHz。測(cè)量太陽(yáng)能輸出電壓探棒置于× 1（1倍），CH1:5 V/div，則電壓為16.23 V，此時(shí)鋰鐵電池先充電，電流探棒刻度置于100m V/A，CH4刻度：10m V/div，因此計(jì)算出電流ILi-Fe為0.1 A；因鋰鐵電池正處于充電狀態(tài)，此時(shí)鉛酸電池電流IPB值為零。太陽(yáng)能電池輸出電流與功率分別為0.75 A、12.17 W，轉(zhuǎn)換效率為6.08%。

圖7 單片PV模塊測(cè)量充電情形

2.1.2 雙片PV串聯(lián)模塊測(cè)量充電情形

圖8為雙片太陽(yáng)能輸出模塊串聯(lián)經(jīng)過(guò)降壓轉(zhuǎn)換電路對(duì)復(fù)合電池充電情形，當(dāng)雙片太陽(yáng)能電池串聯(lián)輸出電壓變大約為25.1 9 V，對(duì)復(fù)合電池充電時(shí)，經(jīng)由PWM之切換控制，由于VGS之工作周期增加至41.53%；主要原因是提升降壓電路輸出電壓，才能對(duì)電池充電，其次，電流探棒刻度置于100 mV/A，CH4刻度：0.2 V/div，因此太陽(yáng)能電流IP計(jì)算為1.79 A，太陽(yáng)能電池輸出電壓與功率分別為25.19 V、45.09 W，轉(zhuǎn)換效率為22.54%。

圖8 雙片PV串聯(lián)模塊測(cè)量充電情形

2.1.3 雙片PV并聯(lián)模塊測(cè)量充電情形

同理，雙片太陽(yáng)能輸出模塊并聯(lián)經(jīng)過(guò)降壓轉(zhuǎn)換電路對(duì)復(fù)合電池充電時(shí)，當(dāng)雙片太陽(yáng)能電池并聯(lián)輸出電流變大，只對(duì)鋰鐵電池充電時(shí)，VGS之工作周期只有18.26%；主要原因此時(shí)照度只有200 W/m2，太陽(yáng)能電池電壓VP為只有17.25 V。當(dāng)鋰鐵電池先充電，所以鉛酸電流IPB為零；而太陽(yáng)能電池輸出電流與功率分別為2.81A、48.62 W，轉(zhuǎn)換效率為24.31%。

■2.2 可行性驗(yàn)證

為驗(yàn)證所提系統(tǒng)之可行性，因此將系統(tǒng)安裝于校園一角作為L(zhǎng)ED路牌指示，除了讓夜校學(xué)生更為清楚校園環(huán)境之外，且達(dá)成節(jié)能減碳目的。圖9為復(fù)合電池晚上供給LED路牌放電時(shí)間曲線，經(jīng)由曲線得知LED模塊功率較小唯有10 W，并且使用電量較少及壽命長(zhǎng)，因此從單顆電池來(lái)分析，鋰鐵電池放電時(shí)間可達(dá)12小時(shí)以上，而鉛酸電池主因?yàn)殡姵厝萘枯^大，放電時(shí)間更長(zhǎng)，長(zhǎng)達(dá)53小時(shí)；因此，總放電時(shí)間可達(dá)65小時(shí)。

圖9 放電時(shí)間曲線

■2.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

考察氣候與陽(yáng)光照度之變化，提出太陽(yáng)能電池對(duì)復(fù)合電池充電，應(yīng)用微控制器PIC18F可大幅縮小硬件電路體積，采用智能脈沖寬度調(diào)變充電控制法針對(duì)復(fù)合電池來(lái)進(jìn)行數(shù)位控制及實(shí)現(xiàn)控制策略，使其具有高充放電效率、維修成本低、延長(zhǎng)陰天照明時(shí)間及環(huán)保效益等優(yōu)點(diǎn)。采用降壓調(diào)整器，由于太陽(yáng)能電池輸出電壓比復(fù)合電池來(lái)得高，避免電池過(guò)充而燒毀。其次，微控制器輸出PWM經(jīng)由降壓調(diào)整器之MOSFET開(kāi)關(guān)切換，當(dāng)操作于連續(xù)導(dǎo)通模式復(fù)合電池充電電壓輸出較為平穩(wěn)。

本文采用復(fù)合電池，整合兩顆電池優(yōu)點(diǎn)，當(dāng)白天時(shí)鋰鐵先充電，鉛酸后充電；晚上時(shí)鋰鐵電池先放電，再由鉛酸電池放電，提供LED模塊照明時(shí)間得以延長(zhǎng)，并能提升電池使用壽命。

3 結(jié)束語(yǔ)

有鑒于太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)應(yīng)用于室外照明之鉛酸電池，具有充電效率差、電池易老化、壽命短、不耐高溫且笨重缺點(diǎn)。為有效改善鉛酸電池既有缺點(diǎn)，并結(jié)合鋰鐵電風(fēng)池之優(yōu)點(diǎn)，因此提出智能復(fù)合電池充電控制器應(yīng)用于太陽(yáng)能照明，提出太陽(yáng)能電池發(fā)電系統(tǒng)之最大功率點(diǎn)追蹤法。操作原理為鋰鐵電池先充，鉛酸電池后充；放電為鋰鐵電池先放，鉛酸后放之順序控制，主要是運(yùn)用鋰鐵電池充放電曲線平穩(wěn)，且壽命長(zhǎng)；鉛酸電池容量大，放電時(shí)間較長(zhǎng)，因此希望將陰天或照明時(shí)間延長(zhǎng)，花費(fèi)成本降低，且兩顆電池平均壽命比單顆鉛酸電池更長(zhǎng)。