基于SPCE061的MPPT太陽(yáng)能鋰電池充電器設(shè)計(jì)
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0 引言
太陽(yáng)能的綠色與可再生特性, 使其在低碳和能源緊缺的今日備受關(guān)注。鋰電池因比能量高、自放電低的特性, 逐漸取代鉛酸電池成為主流。由目前常用的太陽(yáng)能電池的輸出特性可知, 太陽(yáng)能電池在一定的光照度和溫度下, 既非恒流源, 亦非恒壓源, 其最大功率受負(fù)載影響。而鋰電池可看作一個(gè)小負(fù)載電壓源。如不加控制直接將二者連接, 則將太陽(yáng)能電池的工作電壓箝位于鋰電池工作電壓, 無(wú)法高效利用能源。
本文采用SPCE061 單片機(jī), 利用MPPT 技術(shù)使太陽(yáng)能電池工作于最大功率點(diǎn), 并且對(duì)鋰電池的充電過(guò)程進(jìn)行控制, 延長(zhǎng)鋰電池使用壽命, 保證充電安全。
1 最大功率點(diǎn)跟蹤技術(shù)原理( Maximum Power Point Tracking 簡(jiǎn)稱(chēng)MPPT)
太陽(yáng)能電池有著非線(xiàn)性的光伏特性, 所以即使在同一光照強(qiáng)度下, 由于負(fù)載的不同也會(huì)輸出不同的功率。
其電壓、電流與功率在光照度1 kW/ m2 , T = 25 ℃條件下的輸出曲線(xiàn)如圖1 所示。其短路電流isc 與開(kāi)路電壓uoc 由生產(chǎn)商給出, Pmpp為該條件下的最大功率點(diǎn)。
由于太陽(yáng)能電池受到光強(qiáng)、光線(xiàn)入射角度、溫度等多種因素的影響, 最大功率相應(yīng)改變, 對(duì)應(yīng)最大功率點(diǎn)的輸出電壓、輸出電流和內(nèi)阻也在不停變化。因此, 需要使用基于PWM 的可調(diào)DC/ DC 變換器, 使負(fù)載相應(yīng)改變, 才能使太陽(yáng)能電池工作在最大功率點(diǎn)上。
圖1 太陽(yáng)能電池的典型輸出曲線(xiàn)
2 電路工作原理
圖2 示出太陽(yáng)能充電器的原理框圖。其中微控制器采用凌陽(yáng)公司生產(chǎn)的SPCE061A 單片機(jī), 該單片機(jī)含有7 個(gè)10 位ADC( 模-數(shù)轉(zhuǎn)換器) 并內(nèi)置了PWM 功能, 大大簡(jiǎn)化電路復(fù)雜程度, 提高穩(wěn)定性。電壓采樣電路與電流采樣電路通過(guò)ADC 將電壓值與電流值送入MCU, MCU 根據(jù)MPPT 算法計(jì)算PWM 控制BU CK電路完成對(duì)充電過(guò)程的控制。
圖2 整體充電器原理框圖
圖3 為BUCK 變換器電路。由MOSFET 管Q3、電感L1 與繼流二極管D1 構(gòu)成典型的BUCK 降壓DC/ DC 變換器, Q1 和Q2 組成MOSFET 管驅(qū)動(dòng)電路, Uout 輸出至鋰電池正極。
圖3 BUCK 變換器電路
圖4 為電流采樣電路。Rsense 用一小阻值精密電阻作為采樣電阻, 通過(guò)將電阻兩端電壓使用差分放大器輸送到SPCE061 的A/ D 端進(jìn)行采樣。為使采樣精確, 避免電源線(xiàn)與地線(xiàn)干擾, 使用線(xiàn)性光耦HCNR200 進(jìn)行隔離。
圖4 電流采樣電路[!--empirenews.page--]
圖5 所示為電壓采樣電路。因?yàn)镾PCE061 的A/D 端輸入范圍為0~ 3 V, 而太陽(yáng)能電池的輸出常常高于3 V, 因此采用反向比例放大器, 使輸入與AD 采樣范圍相匹配。
圖5電壓采樣電路
3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
在BUCK 上, 存在UarrD= Ubat 的關(guān)系。由此可知:
式中, Ubat 為電池兩端電壓; D 為占空比; Uarr 為太陽(yáng)能電池兩端電壓。將式( 1) 代入式( 2) 可得:
由圖1 可知, 當(dāng)取最大功率點(diǎn)時(shí), dP arr / dUarr = 0,代入式( 3)、( 4) 可知:
因此, 關(guān)于P/ D 的曲線(xiàn)為凸函數(shù), 且當(dāng)P 取最大值時(shí)有唯一D 值與之對(duì)應(yīng)。
由于DC/ DC 變換器連接至鋰電池兩端的輸出電壓短時(shí)間內(nèi)變化不大, 在短時(shí)間可認(rèn)為恒定。因此, 該設(shè)計(jì)的最大功率點(diǎn)跟蹤可簡(jiǎn)化為通過(guò)PWM 調(diào)整電流至最大值, 即認(rèn)為太陽(yáng)能電池的輸出功率達(dá)到最大。
由鋰電池充電特性可知, 為保證充電安全高效, 需采用預(yù)充、恒流、涓流的三段式充電。系統(tǒng)通過(guò)對(duì)鋰電池兩端電壓進(jìn)行檢測(cè), 判斷充電狀態(tài), 進(jìn)而采取相應(yīng)的充電策略。
當(dāng)光照強(qiáng)度降低, 程序判斷太陽(yáng)能電池產(chǎn)生的功率小于系統(tǒng)自身開(kāi)銷(xiāo)時(shí), 進(jìn)入休眠模式。
4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與結(jié)論
根據(jù)以上原理及其電路圖所述, 所制作的MPPT太陽(yáng)能充電器與用二極管搭建的傳統(tǒng)太陽(yáng)能充電器測(cè)試數(shù)據(jù)對(duì)比如表1 所示。其中太陽(yáng)能電池采用華微公司生產(chǎn)的單晶太陽(yáng)能電池板, 其最大輸出功率15 W,開(kāi)路電壓17. 4 V; 鋰電池組采用4 串聯(lián)18650 型鋰電池, 充電截止電壓16. 8 V, 電池組容量10. 4 Ah。
表1 傳統(tǒng)充電器與MPPT充電器實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比
實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明, 傳統(tǒng)充電器的太陽(yáng)能電池利用率約為66 %, 而本方案的MPPT 充電器利用率約為97 %, 輸出功率有明顯的上升。通過(guò)SPCE061 單片機(jī)實(shí)現(xiàn)的帶有MPPT 功能的太陽(yáng)能充電器不僅大幅提高了太陽(yáng)能電池利用率, 并包含了三段式充電的智能充電策略, 在軟件模塊中加入了防止過(guò)充電的安全策略, 并且在光照強(qiáng)度大幅下降到低于系統(tǒng)開(kāi)銷(xiāo)的情況下自動(dòng)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)休眠。通過(guò)改進(jìn)算法, 設(shè)置更為精確的參數(shù), 可以使充電效率進(jìn)一步提高。