自動(dòng)氣象站光伏控制器的設(shè)計(jì)

摘要：為解決自動(dòng)氣象站獨(dú)立光伏供電系統(tǒng)充電效率低、輸出單一的問題，同時(shí)提高電源的使用效率。在此利用bq24610芯片和ATmega16L單片機(jī)設(shè)計(jì)了一款具有輸出±12 V的新型光伏控制器。該控制器實(shí)時(shí)檢測(cè)蓄電池端電壓，采用合理并精確的充放電控制策略對(duì)蓄電池進(jìn)行充放電，同時(shí)還具有過充過放保護(hù)、防反充保護(hù)功能，有效地保護(hù)了蓄電池和延長(zhǎng)了蓄電池的使用壽命。通過實(shí)驗(yàn)測(cè)試和實(shí)際應(yīng)用，驗(yàn)證了該控制器的設(shè)計(jì)合理性和系統(tǒng)穩(wěn)定性。

關(guān)鍵詞：光伏控制器；充放電控制；bq24610；ATmega16L

0 引言

自動(dòng)氣象站在氣象要素檢測(cè)方面發(fā)揮了重要的作用，大大提高了氣象工作的效率，但其工作環(huán)境大部分都處于野外尚無(wú)穩(wěn)定市電工作的區(qū)域，所以其供電電源的穩(wěn)定性就顯得尤為重要。太陽(yáng)能作為一種新型清潔環(huán)保能源，特別足經(jīng)過近幾年來(lái)的快速發(fā)展，已經(jīng)在需要獨(dú)立電源供電的領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。在自動(dòng)氣象站小功率光伏發(fā)電系統(tǒng)中，最關(guān)心的是系統(tǒng)的轉(zhuǎn)換效率和使用壽命，使太陽(yáng)能能被充分的利用，從而達(dá)到節(jié)約成本和廣泛推廣的目的。而這些參數(shù)主要是受太陽(yáng)能控制器性能的影響。

本文主要針對(duì)自動(dòng)氣象站太陽(yáng)能光伏供電系統(tǒng)中使用的控制器的原理進(jìn)行了分析和研究，采用TI公司的bq24610芯片和ATmega16L單片機(jī)，開發(fā)出一種高穩(wěn)定性、高轉(zhuǎn)換效率的新型控制器。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

采用本文所提出新型控制器組建的太陽(yáng)能供電系統(tǒng)主要由太陽(yáng)能電池板、蓄電池組、光伏控制器和負(fù)載(自動(dòng)氣象站)四部分組成。其系統(tǒng)框圖如圖1所示。

系統(tǒng)組成各部分特性以及配合如下：

光伏陣列  光伏陣列在白天光照條件下，將所接收到的太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換為電能作為系統(tǒng)的輸入，經(jīng)過光伏控制器對(duì)蓄電池進(jìn)行充電和對(duì)負(fù)載進(jìn)行供電；在晚上，光伏陣列將停止工作不再供電，輸出端處于開路狀態(tài)。

蓄電池組  作為獨(dú)立光伏供電系統(tǒng)的儲(chǔ)能環(huán)節(jié)，占有很重要的地位，它是系統(tǒng)能長(zhǎng)時(shí)間平穩(wěn)運(yùn)行的保障。在白天，它把光伏陣列所輸出的多余電能通過光伏控制器存儲(chǔ)起來(lái)；在晚上，它將作為系統(tǒng)電能的輸入，保證整個(gè)系統(tǒng)的正常持續(xù)運(yùn)行。同時(shí)它還為光伏控制器提供全天的電源供給。

負(fù)載  該系統(tǒng)中的負(fù)載是全自動(dòng)氣象站，其供電需求是直流±12 V，所需功率約為25 W。所需電能由光伏陣列和蓄電池通過光伏控制器供給。

光伏控制器  光伏控制器作為供電系統(tǒng)的核心，其主要功能是控制蓄電池組的充電和放電。在白天，它將光伏陣列所輸出的電能存儲(chǔ)在蓄電池組里，同時(shí)供給負(fù)載用，當(dāng)蓄電池充滿時(shí)，它將停止對(duì)蓄電池充電，防止對(duì)蓄電池過充；在晚上，它將蓄電池里的電能供給負(fù)載用，同時(shí)還有防反充電路阻止蓄電池對(duì)光伏陣列充電，當(dāng)蓄電池電量不足時(shí)，它將切斷供給電路，防止蓄電池過放，起到保護(hù)蓄電池的作用。

系統(tǒng)各部分的容量和參數(shù)選取以能保證自動(dòng)氣象站負(fù)載在連續(xù)陰雨的極端條件下持續(xù)運(yùn)行15天的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行配置，綜合成本、效率和可靠性來(lái)考慮。雖然當(dāng)前光伏產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅速，太陽(yáng)能電池的價(jià)格有所下降，但它仍是整個(gè)系統(tǒng)中最昂貴的部分。而蓄電池相對(duì)而言價(jià)格較為低廉，因此建議選取相對(duì)較大容量的蓄電池組，這樣可以提高太陽(yáng)能電池的利用效率。

2 光伏控制器設(shè)計(jì)

在該系統(tǒng)中，光伏控制器要具有對(duì)蓄電池進(jìn)行充電、放電控制功能，實(shí)時(shí)檢測(cè)蓄電池端電壓，對(duì)蓄電池進(jìn)行過充過放保護(hù)、防反充保護(hù)，同時(shí)采用合理并精確的充放電控制策略，保護(hù)蓄電池，延長(zhǎng)蓄電池使用壽命。系統(tǒng)采用bq24610芯片作為核心控制單元。輔以ATmega16L單片機(jī)進(jìn)行放電控制和電流電壓檢測(cè)顯示，監(jiān)測(cè)系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)，采用P型和N型MOSFET管作為充、放電控制管和保護(hù)管，最大限度的減小系統(tǒng)功耗和提高開關(guān)工作速度。bq24610芯片是TI公司最新推出的一款具有自動(dòng)選擇供電方式、輸入電壓和蓄電池電壓檢測(cè)功能的充電芯片，同時(shí)它還具有過充過放保護(hù)、防反充保護(hù)、蓄電池溫度檢測(cè)保護(hù)功能，其充電電流最大可以達(dá)到10 A，符合該系統(tǒng)的要求。ATmega16L單片機(jī)是一款高性能、低功耗、性比價(jià)高的微處理器，其自帶8路10位ADC端口，能有效地減少系統(tǒng)外圍電路和系統(tǒng)功耗。其主要實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)信號(hào)采集、放電電路的控制和系統(tǒng)狀態(tài)的顯示功能。在實(shí)際電路中，由于有多個(gè)負(fù)載，情況不一，或多或少的會(huì)對(duì)電路產(chǎn)生一定的干擾，因此，在PCB設(shè)計(jì)時(shí)采用數(shù)字地和模擬地合二為一接地的布線方式，這樣可以提高系統(tǒng)的可靠性。

2．1 充、放電部分

太陽(yáng)能獨(dú)立供電系統(tǒng)中除對(duì)負(fù)載的正常供電之外，最重要的就是對(duì)蓄電池的充放電過程，因?yàn)樾铍姵乇旧沓杀揪捅容^高、且使用壽命一般較低，而對(duì)蓄電池的充放電策略會(huì)直接影響到蓄電池的使用壽命。該系統(tǒng)中充放電部分采用一對(duì)IRF7834 N型MOSFET管來(lái)對(duì)電池進(jìn)行充電，其充電過程分為預(yù)充電、快速充電和浮充電三個(gè)階段。系統(tǒng)初始上電工作時(shí)，bq24610芯片通過R1，R2組成分壓電路對(duì)太陽(yáng)能電池端電壓進(jìn)行采樣，然后由反饋輸入端VFB輸入，VFB的基準(zhǔn)電壓為2．1 V。當(dāng)蓄電池反饋輸入電壓小于電池過放電壓1．56 V時(shí)，系統(tǒng)經(jīng)過比較由PWM控制器產(chǎn)生占空比變化的PWM脈沖信號(hào)，通過HIDRV和LODRV兩個(gè)端口來(lái)控制1對(duì)IRF7834 N型MOSFET管來(lái)對(duì)電池進(jìn)行預(yù)充電，當(dāng)蓄電池反饋輸入電壓大于1．56 V，小于2．1 V時(shí)，系統(tǒng)進(jìn)入快速充電過程。當(dāng)蓄電池反饋輸入電壓大于2．1 V時(shí)，蓄電池進(jìn)入浮充階段。其電阻R1，R2的取值按VBAT=2．1×(1+R2／R1)來(lái)計(jì)算。蓄電池過放電會(huì)嚴(yán)重影響其使用壽命，因此，在其對(duì)負(fù)載供電時(shí)一定要注意過放電保護(hù)，該系統(tǒng)利用ATmega 16L單片機(jī)通過電壓采集電路來(lái)檢測(cè)蓄電池端電壓，當(dāng)檢測(cè)值低于設(shè)定的過放點(diǎn)電壓值時(shí)，單片機(jī)就會(huì)發(fā)出控制信號(hào)，來(lái)控制MOSFET管Q104的關(guān)斷，實(shí)現(xiàn)過放保護(hù)。

bq24610芯片同時(shí)具有蓄電池溫度補(bǔ)償保護(hù)功能，當(dāng)蓄電池溫度過高時(shí)，蓄電池將因嚴(yán)重過充電而縮短壽命，當(dāng)蓄電池溫度過低時(shí)，電池就不能允足電，因此，在實(shí)際應(yīng)用中必須采取措施對(duì)蓄電池進(jìn)行保護(hù)。系統(tǒng)采用數(shù)字溫度傳感器DS18B20來(lái)實(shí)時(shí)檢測(cè)蓄電池溫度，和R121，R1 50一起組成一個(gè)溫度檢測(cè)電路，如圖2所示。設(shè)定溫度過高閾值THOT=40 ℃，溫度過低閾值TCOLD=0 ℃，得到R121，R150的阻值分別為5．5 kΩ，255 kΩ。系統(tǒng)通過測(cè)溫電路將采樣值與系統(tǒng)中的固有值比較，得出相對(duì)應(yīng)的變化量，從而調(diào)整蓄電池的充放電策略，保護(hù)蓄電池。

系統(tǒng)充電狀態(tài)由3個(gè)LED燈作指示，這樣更加有利于直接觀察系統(tǒng)的工作狀態(tài)，便于排查系統(tǒng)工作中的問題。其亮滅的組合所表示的意義如表1所示。其中PG腳表示太陽(yáng)能是否有正常有效的電壓輸入。

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自動(dòng)氣象站中的大氣電場(chǎng)儀需要負(fù)12 V的參考電壓，該系統(tǒng)中主要采用ICL7662芯片來(lái)產(chǎn)生。ICL7662是一款變極性DC-DC變換器。它性能穩(wěn)定、轉(zhuǎn)換效率高、外圍電路簡(jiǎn)單，輸出電流大于20 mA，符合該系統(tǒng)中負(fù)12 V供電需求。其電路原理圖如圖3所示。

2．2 電壓采集電路設(shè)計(jì)

電壓采集電路的主要作用是用來(lái)實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)，得到系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)，以此來(lái)作為系統(tǒng)下一步執(zhí)行動(dòng)作的根據(jù)。該系統(tǒng)采用ATmega16L單片機(jī)的10位ADC端口作為電壓采集信號(hào)的輸入，對(duì)采集到的電壓信號(hào)進(jìn)行A／D轉(zhuǎn)換處理，實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)放電電路的控制。電壓采集電路的核心器件是LM358芯片，LM358是一款性能優(yōu)良、內(nèi)部包括有2個(gè)獨(dú)立的雙運(yùn)算放大器。它的電壓采集電路原理圖如圖4所示。

在該電路中通過外圍電路和電阻Rg，Rf構(gòu)成一個(gè)電壓同相比例放大器和電壓跟隨器，它通過電阻Rg，Rf的不同比例取值，將采集電壓轉(zhuǎn)換為單片機(jī)引腳所需要的電壓，其電阻Rg，Rf的取值按Vout=Rf／Rg·Vin來(lái)計(jì)算。系統(tǒng)采用ATmega16L單片機(jī)片內(nèi)基準(zhǔn)電壓2．56 V作為ADC的參考電壓，得到Rg，Rf的阻值分別為150kΩ，10kΩ。

3 系統(tǒng)控制原理

對(duì)系統(tǒng)性能影響較大的除了硬件設(shè)計(jì)之外，系統(tǒng)充放電程序設(shè)計(jì)也很大程度上影響了系統(tǒng)的可靠性和充電效率，該系統(tǒng)采用循環(huán)的方式檢測(cè)蓄電池端電壓、環(huán)境溫度等參數(shù)，判斷系統(tǒng)當(dāng)前所處的狀態(tài)，是否滿足充電條件，若滿足則判斷系統(tǒng)當(dāng)前處于充電的何種時(shí)期。然后根據(jù)所得參數(shù)進(jìn)行對(duì)比和計(jì)算，調(diào)節(jié)PWM脈沖信號(hào)的占空比，由PWM控制發(fā)生器控制MOSFET對(duì)蓄電池進(jìn)行充電，這樣在蓄電池不同狀態(tài)下可進(jìn)行不同的充電策略，能達(dá)到最佳的充電效果。其系統(tǒng)工作流程圖如圖5所示。

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4 測(cè)試結(jié)果

依照?qǐng)D1所示的結(jié)構(gòu)，構(gòu)造了太陽(yáng)能光伏供電系統(tǒng)，系統(tǒng)由光伏陣列兩塊，額定開路電壓26．6 V，額定輸出功率140 W；蓄電池組一組，額定電壓12 V，額定容量300 Ah；自動(dòng)氣象站一套，額定電壓正負(fù)12 V，額定功率25 W；光伏控制器一個(gè)組成。測(cè)試環(huán)境要求在戶外陽(yáng)光照射強(qiáng)度充足、無(wú)遮擋的條件下進(jìn)行，測(cè)試工具為萬(wàn)用表一只。測(cè)試結(jié)果如表2所示。

從表2中的測(cè)試結(jié)果可以看出，光伏控制器能很好的完成對(duì)蓄電池的充放電管理和對(duì)自動(dòng)氣象站供電，同時(shí)當(dāng)蓄電池端電壓達(dá)到了過充電壓或過放電壓時(shí)，控制器能夠?qū)崿F(xiàn)過充過放保護(hù)，達(dá)到保護(hù)蓄電池的目的，實(shí)現(xiàn)了預(yù)期的目標(biāo)。

5 結(jié)語(yǔ)

太陽(yáng)能控制器是太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)中最重要的組成部分，其性能的好壞直接影響著整個(gè)系統(tǒng)的可靠性和工作效率。利用bq24610芯片對(duì)蓄電池進(jìn)行充放電管理，輔以低功耗的ATmega16L單片機(jī)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)測(cè)和放電管理，設(shè)計(jì)了一款用在自動(dòng)氣象站上的小功率光伏控制器，該系統(tǒng)具有性能優(yōu)良、可靠性高的優(yōu)點(diǎn)。在小功率光伏系統(tǒng)中具有良好的應(yīng)用價(jià)值和推廣價(jià)值。