摘要：為解決自動氣象站獨立光伏供電系統(tǒng)充電效率低、輸出單一的問題，同時提高電源的使用效率。在此利用bq24610芯片和ATmega16L單片機設(shè)計了一款具有輸出±12 V的新型光伏控制器。該控制器實時檢測蓄電池端電壓，采用合理并精確的充放電控制策略對蓄電池進行充放電，同時還具有過充過放保護、防反充保護功能，有效地保護了蓄電池和延長了蓄電池的使用壽命。通過實驗測試和實際應(yīng)用，驗證了該控制器的設(shè)計合理性和系統(tǒng)穩(wěn)定性。
關(guān)鍵詞：光伏控制器；充放電控制；bq24610；ATmega16L
0 引言
自動氣象站在氣象要素檢測方面發(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。太陽能作為一種新型清潔環(huán)保能源，特別足經(jīng)過近幾年來的快速發(fā)展，已經(jīng)在需要獨立電源供電的領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。在自動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，使太陽能能被充分的利用，從而達到節(jié)約成本和廣泛推廣的目的。而這些參數(shù)主要是受太陽能控制器性能的影響。
本文主要針對自動氣象站太陽能光伏供電系統(tǒng)中使用的控制器的原理進行了分析和研究，采用TI公司的bq24610芯片和ATmega16L單片機，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能供電系統(tǒng)主要由太陽能電池板、蓄電池組、光伏控制器和負(fù)載(自動氣象站)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，將所接收到的太陽能轉(zhuǎn)換為電能作為系統(tǒng)的輸入，經(jīng)過光伏控制器對蓄電池進行充電和對負(fù)載進行供電；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 作為獨立光伏供電系統(tǒng)的儲能環(huán)節(jié)，占有很重要的地位，它是系統(tǒng)能長時間平穩(wěn)運行的保障。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起來；在晚上，它將作為系統(tǒng)電能的輸入，保證整個系統(tǒng)的正常持續(xù)運行。同時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在蓄電池組里，同時供給負(fù)載用，當(dāng)蓄電池充滿時，它將停止對蓄電池充電，防止對蓄電池過充；在晚上，它將蓄電池里的電能供給負(fù)載用，同時還有防反充電路阻止蓄電池對光伏陣列充電，當(dāng)蓄電池電量不足時，它將切斷供給電路，防止蓄電池過放，起到保護蓄電池的作用。
系統(tǒng)各部分的容量和參數(shù)選取以能保證自動氣象站負(fù)載在連續(xù)陰雨的極端條件下持續(xù)運行15天的標(biāo)準(zhǔn)進行配置，綜合成本、效率和可靠性來考慮。雖然當(dāng)前光伏產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅速，太陽能電池的價格有所下降，但它仍是整個系統(tǒng)中最昂貴的部分。而蓄電池相對而言價格較為低廉，因此建議選取相對較大容量的蓄電池組，這樣可以提高太陽能電池的利用效率。
2 光伏控制器設(shè)計
在該系統(tǒng)中，光伏控制器要具有對蓄電池進行充電、放電控制功能，實時檢測蓄電池端電壓，對蓄電池進行過充過放保護、防反充保護，同時采用合理并精確的充放電控制策略，保護蓄電池，延長蓄電池使用壽命。系統(tǒng)采用bq24610芯片作為核心控制單元。輔以ATmega16L單片機進行放電控制和電流電壓檢測顯示，監(jiān)測系統(tǒng)運行狀態(tài)，采用P型和N型MOSFET管作為充、放電控制管和保護管，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選擇供電方式、輸入電壓和蓄電池電壓檢測功能的充電芯片，同時它還具有過充過放保護、防反充保護、蓄電池溫度檢測保護功能，其充電電流最大可以達到10 A，符合該系統(tǒng)的要求。ATmega16L單片機是一款高性能、低功耗、性比價高的微處理器，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。其主要實現(xiàn)系統(tǒng)信號采集、放電電路的控制和系統(tǒng)狀態(tài)的顯示功能。在實際電路中，由于有多個負(fù)載，情況不一，或多或少的會對電路產(chǎn)生一定的干擾，因此，在PCB設(shè)計時采用數(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
太陽能獨立供電系統(tǒng)中除對負(fù)載的正常供電之外，最重要的就是對蓄電池的充放電過程，因為蓄電池本身成本就比較高、且使用壽命一般較低，而對蓄電池的充放電策略會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IRF7834 N型MOSFET管來對電池進行充電，其充電過程分為預(yù)充電、快速充電和浮充電三個階段。系統(tǒng)初始上電工作時，bq24610芯片通過R1，R2組成分壓電路對太陽能電池端電壓進行采樣，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，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，通過HIDRV和LODRV兩個端口來控制1對IRF7834 N型MOSFET管來對電池進行預(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，系統(tǒng)進入快速充電過程。當(dāng)蓄電池反饋輸入電壓大于2．1 V時，蓄電池進入浮充階段。其電阻R1，R2的取值按VBAT=2．1×(1+R2／R1)來計算。蓄電池過放電會嚴(yán)重影響其使用壽命，因此，在其對負(fù)載供電時一定要注意過放電保護，該系統(tǒng)利用ATmega 16L單片機通過電壓采集電路來檢測蓄電池端電壓，當(dāng)檢測值低于設(shè)定的過放點電壓值時，單片機就會發(fā)出控制信號，來控制MOSFET管Q104的關(guān)斷，實現(xiàn)過放保護。
bq24610芯片同時具有蓄電池溫度補償保護功能，當(dāng)蓄電池溫度過高時，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，電池就不能允足電，因此，在實際應(yīng)用中必須采取措施對蓄電池進行保護。系統(tǒng)采用數(shù)字溫度傳感器DS18B20來實時檢測蓄電池溫度，和R121，R1 50一起組成一個溫度檢測電路，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)通過測溫電路將采樣值與系統(tǒng)中的固有值比較，得出相對應(yīng)的變化量，從而調(diào)整蓄電池的充放電策略，保護蓄電池。
系統(tǒng)充電狀態(tài)由3個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腳表示太陽能是否有正常有效的電壓輸入。
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自動氣象站中的大氣電場儀需要負(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
電壓采集電路的主要作用是用來實時監(jiān)控系統(tǒng)的運行狀態(tài)，得到系統(tǒng)運行參數(shù)，以此來作為系統(tǒng)下一步執(zhí)行動作的根據(jù)。該系統(tǒng)采用ATmega16L單片機的10位ADC端口作為電壓采集信號的輸入，對采集到的電壓信號進行A／D轉(zhuǎn)換處理，實現(xiàn)對系統(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個獨立的雙運算放大器。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)換為單片機引腳所需要的電壓，其電阻Rg，Rf的取值按Vout=Rf／Rg·Vin來計算。系統(tǒng)采用ATmega16L單片機片內(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
對系統(tǒng)性能影響較大的除了硬件設(shè)計之外，系統(tǒng)充放電程序設(shè)計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期。然后根據(jù)所得參數(shù)進行對比和計算，調(diào)節(jié)PWM脈沖信號的占空比，由PWM控制發(fā)生器控制MOSFET對蓄電池進行充電，這樣在蓄電池不同狀態(tài)下可進行不同的充電策略，能達到最佳的充電效果。其系統(tǒng)工作流程圖如圖5所示。
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4 測試結(jié)果
依照圖1所示的結(jié)構(gòu)，構(gòu)造了太陽能光伏供電系統(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；光伏控制器一個組成。測試環(huán)境要求在戶外陽光照射強度充足、無遮擋的條件下進行，測試工具為萬用表一只。測試結(jié)果如表2所示。
從表2中的測試結(jié)果可以看出，光伏控制器能很好的完成對蓄電池的充放電管理和對自動氣象站供電，同時當(dāng)蓄電池端電壓達到了過充電壓或過放電壓時，控制器能夠?qū)崿F(xiàn)過充過放保護，達到保護蓄電池的目的，實現(xiàn)了預(yù)期的目標(biāo)。
5 結(jié)語
太陽能控制器是太陽能光伏發(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系統(tǒng)的可靠性和工作效率。利用bq24610芯片對蓄電池進行充放電管理，輔以低功耗的ATmega16L單片機對系統(tǒng)進行監(jiān)測和放電管理，設(shè)計了一款用在自動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。在小功率光伏系統(tǒng)中具有良好的應(yīng)用價值和推廣價值。
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