太阳能能量控制器的研究与设计

成凤敏

(唐山学院信息工程系，河北 唐山 063000)

太阳能能量控制器的研究与设计

成凤敏

(唐山学院信息工程系，河北 唐山 063000)

针对太阳能利用率低、蓄电池使用寿命短和电路不稳定等问题，采用电导增量算法，调节PWM控制信号的占空比，实现对太阳能电池能量输出的最大功率点跟踪控制。考虑到对蓄电池容量的准确检测,且避免过充和过放情况的发生，在蓄电池充、放电过程中，采取断开回路和连接负载的方法。经测试，系统可以对太阳能电池能量的输出和蓄电池的充放电过程进行有效控制，并提高太阳能电池的利用效率，延长蓄电池的使用寿命。

太阳能控制器 电导增量 PWM 充放电 蓄电池

0 引言

太阳能作为一种新兴的绿色能源，以其永不枯竭、无污染等优点，受到人们的青睐并得到迅速的推广应用[1]。全球市场研究机构TrendForce旗下绿能事业处EnergyTrend表示，2013年全球太阳能市场需求逐季叠高，并网量31.5 GW,如年初所预测，其中欧(含中东与非洲)、美、亚的需求量各占比为32%、15%、53%。2014年市场需求将延续2013年下半年态势，全年市场需求量42 GW左右，较2013年增长17%。中国、日本、美国依旧是前三大市场，合计占比达全球约50%。

早期的太阳能能量控制器只是简单地控制蓄电池的充放电，一定程度上降低了系统成本，但在提高太阳能使用效率、减缓蓄电池使用寿命上并没有有效实现管理控制，而且对太阳能电池的输出采用恒压控制方法，使得太阳能电池在不同光照强度下的最大功率输出点总是在某一恒定电压值附近徘徊[2-3]。针对此类缺陷，为了能够持续而又稳定地让太阳能电池转换成太阳能能量，并且科学合理地对蓄电池进行充放电控制，设计一种高效的太阳能能量控制器是十分符合客观现实需要的。

1 方案设计

系统包括太阳能电池板、蓄电池、能量控制器和半导体照明负载四大部分。整体框图如图1所示。

图1 系统框图

通过太阳能电池板检测电路采集电池板两端的电压、电流，充电控制电路控制电池板对蓄电池的充电过程。为使太阳能电池板高效输出，且保护充电时不会使蓄电池过充，增加了太阳能充电保护模块。

蓄电池在充电、放电时，两端的电压不断地变化，通过蓄电池电压采集电路准确地检测出其在任何时刻的端电压，充放电控制电路控制充放电过程，防止蓄电池过放或过充现象的发生[4]。为实现充电时断开回路检测蓄电池电压和放电时连接负载检测蓄电池电压，在充放电控制电路中使用2路继电器。

显示电路直观地了解太阳能电池输出电流、电压，以及蓄电池输出电压值和系统所处的工作状态。正常工作时采用自动控制模式，考虑到环境因素等一些特殊情况，增加了人工控制模式，可实现强制放电和强制充电。

2 硬件设计

根据系统功能，选择如下硬件并进行设计。

① 能量控制器：控制部分是整个系统的核心，采用STC12C5608AD芯片为控制器件。STC12C5608AD是STC生产的单时钟/机器周期(1T)的单片机，是高速、低功耗和抗干扰超强的新一代8051单片机，其指令代码与传统的8051单片机的指令代码完全兼容，但速度比传统8051单片机的速度要快8～12倍[5]。

② 太阳能电池板：它是太阳能发电系统的核心模块。通过吸收太阳光，将太阳辐射能通过光电效应或光化学效应直接或间接地转换成电能，存储在蓄电池中，或为负载供电，推动其工作[6]。系统选择内置稳压电路的6 V多晶硅太阳能电池，稳压后输出电压为5 V。

③ 蓄电池：系统采用18650锂蓄电池。标称(开路)电压为3.7 V，工作电压范围为2.75～4.2 V，标称容量为4 000 mAh，可以反复充电1 000次。充电过程采用恒流转恒压充电模式。充电开始为恒流阶段，电池的电压较低，两端电压值呈现快速增长趋势。在此过程中，充电电流稳定不变。随着充电的继续进行，电池电压逐渐上升到4.2 V，此时转入恒压充电，充电电流逐渐减小。当电流下降到某一范围，进入涓流充电(维护充电)阶段。蓄电池放电开始阶段，两端电压值呈现快速下降的趋势，放电中期下降趋势平缓，放电末期，两端电压下降的速度加快，直至放电终止电压。

④ 2路继电器：一路控制太阳能为蓄电池充电，另一路控制蓄电池放电为负载供电。系统工作时，接收控制信号，控制系统在充电模式和放电模式之间切换，起到了开关与传输信号的作用。

⑤ 霍尔电流传感器：采用电流传感器芯片ACS712ELC-05B，5 V电源供电，可测量±5 A电流，对应模拟量输出185 mV/A，输出的电压信号介于0.5～4.5 V之间，没有检测电流通过时，输出的电压是VCC/2[7]。电流输入端连接太阳能电池板正极，电流输出端连接锂蓄电池正极。当电路处于充电状态时，太阳能电池板的输出电流经过铜箔，一方面从电流输出端流出给锂电池充电，另一方面由霍尔效应计算出太阳能电压值，经电压输出端送入STC12C5608AD控制中心。同理，当电路处于放电状态时，采集蓄电池电流信号，转变为电压信号送入STC12C5608AD控制中心，并且通过电流输入端为负载供电。

⑥ 液晶显示屏：采用LCD1602，能够同时显示16列2行(32个字符)的字符型液晶。充电时，LCD1602会将检测到的太阳能电池板输出电压、电流值显示在第一行；放电时显示蓄电池输出电压值。按键控制模式会在第二行中显示。

3 最大功率点跟踪算法

为了提高太阳能能量控制系统的效率，实现太阳能电池的最大功率输出，需要对太阳能电池的最大功率点进行跟踪，即最大功率点跟踪(maximum power point tracking,MPPT)的具体实现是系统不直接检测太阳辐射强度和太阳能电池温度，而是检测太阳能电池的输出电压和输出电流，计算出太阳能电池的最大功率点。设计选用电导增量法，以实现太阳能电池的最大功率点跟踪控制[8-9]。

电导增量法是通过对太阳能电池输出的电压和电流进行采样，通过计算，比较光伏阵列的瞬间电导与电导增量的大小，通过单片机控制部分来改变控制信号。电导增量法步长恒定，避免了过小步长引起工作点与最大功率点距离远而花费大量时间去计算，也避免了过大步长造成电压振荡加剧和功率损失，降低跟踪的精确度。所以电导增量法具有控制精确、响应速度快的优点，能够持续稳定地跟踪太阳能电池输出的最大功率点。电导增量控制法的理论如下。

通过采集太阳能电池输出的电压值Usolar和电流值Isolar，计算太阳能电池的输出功率：

Psolar=UsolarIsolar

(1)

两边分别对V求导：

(2)

(3)

如果电导增量小于瞬时电导，处于最大功率点左侧时，太阳能电池的输出电压就会小于最大功率点处的电压。这时要增加太阳能电池的输出电压值。如果电导增量大于瞬时电导，处于最大功率点右侧时，太阳能电池的输出电压就会大于最大功率点处的电压，这时要减小太阳能电池的输出电压；如果电导增量等于瞬时电导，正好在最大功率点处工作，那么就要使太阳能电池的输出电压值保持不变，此时的太阳能电池的输出功率最大。因此电导增量控制算法就是不断地周期性地采集太阳能电池的输出电压和电流，然后利用以上公式对采集的电流电压值进行计算，最后找出电导增量等于瞬时电导处的电压值，即为最大功率点[10]。

4 系统测试

4.1 放电测试

锂蓄电池放电过程数据记录如表1所示。

表1 锂蓄电池放电过程数据记录

夜间，蓄电池给LED灯正常供电。由表1可知，锂蓄电池能够提供6个多小时的供电量。晴天，锂蓄电池白天充电后，晚上仍能提供电能使LED灯工作。由于锂蓄电池的端电压与容量存在比例关系，根据锂电池端电压值可判断其剩余容量。

4.2 放电测试

锂蓄电池充电过程数据记录如表2所示。由表2中锂蓄电池充电过程各项参数的变化可以看出，充电起始阶段，锂蓄电池充电电流大致持平，端电压上升速度较快。充电后期，电流下降，端电压上升的速度变慢，直至几乎平衡，此时认为蓄电池已基本充满。整个充电过程符合预先设计的充放电控制策略。

表2 锂蓄电池充电过程数据记录

5 结束语

系统以STC12C5608AD单片机为控制核心，2路继电器和霍尔电流传感器为信息采集体，锂电池充电保护板为充电保护模块，通过LCD1602液晶显示太阳能电池电流、电压和蓄电池的电压和按键控制模式，对太阳能电池板的放电进行实时有效的控制。另外系统还设置了按键控制模块，增加了人工控制功能，可以实现手动的强制充电和放电功能。经过测试，系统解决了传统太阳能利用率低、蓄电池使用寿命短和电路不稳定的问题，达到了设计要求。

[1] 王国义.光伏照明系统智能控制器的研究[D].芜湖：安徽工程大学,2012.

[2] 高云.太阳能充电控制器研究[D].北京：北京交通大学,2009.

[3] 吴理博,赵争鸣,刘建政.用于太阳能照明系统的智能控制器[J].清华大学学报：自然科学版,2003,43(9)：1195-1198.

[4] 张天时.太阳能照明能量管理PSoC设计[D].长春：长春理工大学,2013.

[5] 阿占文,冯清香.单片机多任务操作的多功能采集卡设计[J].自动化仪表,2014,35(1)：84-87.

[6] 马胜红.光伏极板组件及光伏方阵[J].大众用电,2006(3)：39-40.

[7] 陈维,沈辉,邓幼俊.太阳能光伏应用中的储能系统研究[J].蓄电池,2006(8):20-25.

[8] Dong Y,Ju N,Dong S.An improved MPPT converter using current compensation method for small sealed PV-applications[C]∥Applied Power Electronics Conference and Exposition.APEC’03 Eighteenth Annual EEE,Florida,2003(11):11-16.

[9] Jancarle L,Fernando L.Maximum power point tracker for PV systems[C]∥World Climate & Energy Event,Rio de Janeiro,2003(8):11-16.

[10]姜红兴.太阳能照明系统控制器设计与蓄电池健康状况检测[D].济南：山东大学,2011.

Research and Design of the Solar Energy Controller

To solve the problems existing in solar energy utilization, such as low utilization rate, short service life of the storage battery, and instability of the circuits, etc., the maximum power point tracking control for solar energy output is implemented by adopting conductance increment algorithm to adjust the duty ratio of PWM control signal. Considering accurately detecting the capacity of the storage battery, and to avoid occurrence of overcharge and over-discharge of the battery, the method of discount the loop and connect the load is adopted. The test shows that the system effectively controls the solar energy output and charging and discharging of battery, and enhances the utilization rate of battery, thus prolongs the service life of battery.

Solar energy controller Conductance increment PWM Charge and discharge Storage battery

河北省教育厅青年基金资助项目(编号：QN20132019)。

TP273+.1

A

10.16086/j.cnki.issn1000-0380.201505017

修改稿收到日期：2014-08-29。

作者成凤敏(1983-)，女，2008年毕业于南京航空航天大学测试计量技术及仪器专业，获硕士学位，讲师；主要从事计算机测控技术、仪器仪表技术的研究。