带MPPT控制的光伏充电控制器的设计

王章权，裘杨杰

(浙江树人大学信息科技学院，浙江杭州310015)

0 引言

光伏充电发电是利用太阳能组件的光生伏特效应，将光能转换为电能，并储存在蓄电池中供负载使用。它是集太阳能光伏技术和蓄电池技术于一体的新兴技术［1，2]。但在现有的光伏充电系统中，较多存在充电效率不高，充电控制不合适的情况。本文设计的一种带MPPT控制的光伏发电充电控制器，在光照强度足够的情形下，可根据被充蓄电池的特点采用常用的三阶段充电控制方法完成对蓄电池的智能控制。在光照强度不足的条件下，控制器能自动切换到MPPT控制状态，并利用扰动观察控制策略使光伏电池具有最大的功率输出，从而提高光伏电池的发电效率。

1 光伏发电充电控制系统

光伏发电充放电控制系统主要由太阳能电池阵列、蓄电池和控制器组成。由于太阳能电池的输出电能很大程度受光照与温度等环境条件的影响，存在着最大功率点问题［3]。因此，如何使太阳能电池达到较好的充电效率，提高电池利用率是本系统设计主要考虑的问题。特别是在光照强度不足的情况下，需利用MPPT技术使太阳能电池具有最大的功率输出。图1所示的控制器主要由DC-DC变换器和充电电流和电池电压检测器和微处理器等部分组成。这里微处理器通过对蓄电池充电电流与电压的检测，以选择合适的充电控制模式。同时微处理器判断光伏电池的工作状态，以决定是否进行MPPT控制，并通过对DC-DC控制器占空比的调整，达到控制目标。

图1 光伏发电充电控制器框图

2 硬件设计

本设计选用的太阳能电池型号为FS156-45，其峰值功率45W。在标准环境条件下，开路电压VOC=21V，短路电流ISC=3.3A，最大功率点电压VMP=17V，最大功率点电流IMP=2.6A。蓄电池为CooPower生产的阀控式密封铅酸蓄电池12V-4AH。为了使太阳能电池较好地符合充电要求，DC-DC变换器选用降压型BUCK变换器，其主要电路原理图图2所示。

图2 BUCK型充电电路

图中PV+为光伏发电输入端，Q1为BUCK电路使用的P沟道功率MOS管，CPU产生的PWM信号经Q2对其驱动。为防止MOS管的GS电压超过20V，用稳压管D3进行箝位保护。R2为充电电流取样电阻，在VTB点测得的电压信号经后级电路放大后送CPU进行AD转换，完成电流检测。VTB+为电池电压检测点，所检测的信号经运放电路处理后送CPU进行AD转换完成蓄电池电压检测。CPU根据充电控制要求结合所取样的充电电流与电压的大小，改变PWM的占空比D。当D上升时，Q1导通时间变大，充电电流上升，反之下降，以实现对蓄电池充电电流的控制;同时可以实现根据光伏阵列的输出电压随输出电流的变化的发电特性。而且，电路中PWM占空比调节可以使光伏阵列的输出达到最佳状态。

3 系统软件设计

3.1 系统整体软件

本系统根据要完成的功能的不同，采用模块化结构设计，将整个程序分为以下几个功能模块:A/D转换模块、最大功率跟踪控制模块、恒流充电模块、恒压充电模块和浮充模块。根据采样所得的蓄电池端电压和电流信号，判断当前光伏阵列的输出功率，从而选择MPPT控制模式还是进行三阶段充电控制模式。图3为系统的软件流程框图。

图3系统整体软件框图

3.2 最大功率充电程序设计

图4为光伏阵列在相同温度不同光照强度下，输出功率P(W)与输出电压U(V)之间的关系。图中功率曲线1光照强度最强，曲线3光照强度最弱。显然，光照强度越大，输出功率越大，且存在最大输出功率点;PMIN为不同光照条件下能实现对电池的恒流充电所需的最小功率(本文实验恒定充电电流IH设为0.4A)。在光照强度足够的情况下，光伏阵列输出功率能达到PMIN以上，则只要调节PWM的占空比D，使光伏阵列的工作点位于PMIN之上，即可实现恒流充电。但此时MPPT控制失去意义，因为要实现恒流充电，则无法保证光伏阵列工作于最大功率点上。显然此时光伏阵列的功率输出效率不一定达到最高。

而在光照强度不足的情况下，光伏阵列的输出功率达不到PMIN而无法实现对电池的恒流充电。在这种情况下，为尽可能使光伏阵列有最好利用率，应调节PWM占空比D，使光伏阵列的输出工作于其最大功率点。比较图4中的两个工作点A和B，尽管这两个工作点都能实现BUCK电路正常工作实现对电池的充电。但如果工作于最大功率点A点，则能输出最大功率，从而有更好的充电效率。

图4 光伏阵列输出功率与输出电压的关系

根据BUCK变换器的功率传输特性，如果不考虑器件损耗，则BUCK输入功率的变化与输出功率的变化可以看作相等。因此，当电池充电功率最大时，即近似可看作光伏阵列输出功率达到最大。根据这一特性，本系统以充电电流最大为目标，利用扰动观察控制策略，实现MPPT控制，其控制流程如图5所示。图中Ibat_k表示当前蓄电池充电电流采样值，Ibat_k－1表示前一次蓄电池充电电流采样值。当光照强度无法满足恒流充电条件时，通过扰动充电控制电路PWM信号占空比D，并采样扰动前后充电电流的变化选择扰动方向，使其按最大充电电流方向变化，达到光伏阵列最大充电输出功率的目的。

图5 最大功率充电控制流程

3.3 充电控制程序设计

对蓄电池而言，选择合适的充电方法不仅有利于提高蓄电池的充电效率，而且还可以延长其使用寿命。本系统中，当太阳能发电功率达到图4中PMIN以上时，采用即恒流、恒压和浮充三个阶段的充电方法［4]。

1)恒流阶段—充电电路的输出等效于电流源。在充电过程中，通过检测电路监测蓄电池的开路端电压，当蓄电池的端电压超过转换门限电压后，充电电路切换到恒压阶段。本设计根据被蓄电池的参数特性，设定恒流与恒压充电切换门限电压设为12.5V，恒定充电电流为400mA。

2)恒压阶段—充电电路对蓄电池提供一个较高电压，同时检测蓄电池的充电电压，当充电电压超过转换门限值时，认为蓄电池已充满，充电电路切换到浮充阶段。为保证充电质量，本设计恒压充电分三次完成:第一次，以12.7V为目标进行恒压充电;当达到后再以13V为目标充电;最后以13.3V为目标充电，当达到后自动切换到浮充阶段。

3)浮充阶段—充电电路为蓄电池提供一个浮充电压，对蓄电池继续以较小电流进行间歇充电。最高充电目标高为13.5V，以对蓄电池自放电进行弥补。

图6为恒流充电子程序流程框图。若蓄电池充电电流近似等于Iref，则不对占空比D进行调节;而当IS＞Iref，则减小占空比D，反之则增大占空比D，使充电电流基本恒流充电状态。

图6 恒流充电子程序流程图

4 实验结果及分析

4.1 最大功率跟踪控制充电控制实验

实验环境条件:天气多云，时间下午15:20，温度为15～200C，光照强度最大为42000Lux。光伏阵列发电功率不足。实验时，分别使系统进入MPPT控制和不用MPPT控制两种充电方式，测量所得的实验数据如图7所示。

图7 最大功率跟踪实验

实验结果表明，在不带MPPT控制充电电流很快减小。而加入MPPT控制之后，在16:00点之前，能达到400mA电流充电，且后面的充电电流明显比不带MPPT控制要大。

4.2 蓄电池充电实验结果

实验环境条件:天气晴朗，温度为18～250C，光照强度最大为74000Lux。蓄电池充电前的电压为11.5V，光伏阵列输出电压为16.8-21.2V，输出电流最大电流1.52A。由如图8所示的实验结果可见，所发出的电能可较好地满足电池充电功率要求，最低可达13.5V。

图8 蓄电池充电曲线

实验结果表明，经过近6个小时的充电，控制器较好地把蓄电池从11.5V充电到13.5V。在充电过程中测得的恒流阶段充电的电流为400mA，达到12.5V后由恒流转入恒压阶段。进入恒压阶段，此时蓄电池电压约为12V。在该阶段，为减小充电电流冲击，恒压充电分三个阶段完成:即充电电压逐渐从12V上升到12.7V和13V，直至充电到13.3V后，切换到浮充阶段。实验过程及数据说明，充电控制器能根据蓄电池的端电压自动切换充电方式，实现了三阶段充电的设计目标。

5 结语

本文所设计的带MPPT的光伏充电控制器，能较好地根据光照强度能选择充电方式。它在光照强度足够的情形下，根据被充蓄电池的特点采用常用的三阶段充电控制方法，完成对蓄电池的智能控制。而在光照强度不足的条件下，控制器能自动切换到MPPT控制状态，并利用扰动观察控制策略使光伏电池具有最大的功率输出，使系统具有较高的发电和充电效率。

［1] 肖云来，常瑞浦等.全球可再生能源发展现状与趋势［J] .石家庄:产业论坛，2009

［2] 王长贵，王斯成.太阳能光伏发电实用技术［M] .北京:化学工业出版社，2005.9

［3] 李晶，窦伟等.光伏发电系统中最大功率点跟踪算法的研究［J] .北京:太阳能报，2007(3):268－273

［4] 黄原.蓄电池光伏充放电控制器的设计［J] ，武汉:武汉理工大学硕士学位论文，2009