基于PIC微控制器的独立光伏快速充电器设计

苗凤娟，刘统凯，陶佰睿，安子建，王 喆

(1.齐齐哈尔大学通信与电子工程学院，黑龙江齐齐哈尔161000；2.西安电子科技大学电子工程学院，陕西西安710000)

基于PIC微控制器的独立光伏快速充电器设计

苗凤娟1，刘统凯1，陶佰睿1，安子建2，王 喆1

(1.齐齐哈尔大学通信与电子工程学院，黑龙江齐齐哈尔161000；2.西安电子科技大学电子工程学院，陕西西安710000)

最大功率点跟踪(MPPT)技术是通过调整光伏电池工作点从而最大化发挥太阳电池效率的一项关键技术。设计了一种具有MPPT功能的独立光伏快速充电器，主电路为Buck电路，控制电路主控芯片选用PIC单片机。MPPT算法采用一种改进型扰动观测法并对其进行了验证，同时对蓄电池进行了充电测试。充电完成时间与充电后蓄电池荷电状态表明所设计的充电器可高效、稳定工作，经过改进，可对远离电网的多种野外用电设备蓄电池进行充电。

独立光伏系统；充电器；PIC；最大功率点跟踪

在远离电网地处偏僻地区或拉线不方便等情况下，太阳能供电成为野外设备供电的一种重要方案。由于日光的不连续性，对于功耗一定的用电设备，提高光伏电池利用率不仅可减少电池板面积、降低成本，同时可大大增强供电的可靠性。最大功率点跟踪(MPPT)技术能有效提高光伏电池利用率，技术方法很多，各种控制方法各有其优缺点。由于算法复杂度、实现难易度等因素，扰动观测法是被研究最多、工程应用最为广泛的方法[1-3]。针对传统扰动观测法存在的缺陷，本文应用一种改进型扰动观测法设计了一种独立光伏快速充电器，并对MPPT算法进行了验证，对蓄电池进行了充电测试。

1 系统设计

系统组成包括光伏电池板、充电控制器和蓄电池。图1给出了系统组成框图，充电控制器主要由以下部分组成：

(1)DC/DC变换器：根据系统规格选用降压电路(Buck)，由MOSFET、续流二极管、输出滤波电感、滤波电容组成。

图1 系统组成框图

(2)MOSFET驱动电路：选用MOSFET驱动芯片IR2117，将来自单片机的PWM信号进行放大处理后控制MOSFET的开关。

(3)传感器电路：检测范围包括光伏电池的输出电压、电流，蓄电池的电压、电流和蓄电池的温度。

(4)单片机：包含单片机和外围电路以及控制算法。

2 硬件设计

2.1 主电路设计

主电路选用Buck电路，Buck电路不仅结构简单、容易控制而且转换效率较高，经常用于太阳电池MPPT、光伏直流电机控制等。光伏阵列输出端并联电容可保证光伏电池输出电流的连续性，负载端电容在MOSFET关断时有利于保持负载电流电压。改变开关占空比的方式有PWM、PFM和二者混合调制，在设计中选用PWM方式。微控制器通过采集光伏电池工作电压电流，比较扰动前后功率变化，通过MPPT算法产生PWM控制脉冲来调节Buck电路的开关占空比，从而调节光伏电池工作点，实现最大功率点跟踪。图2为主电路拓扑图。

图2 太阳能充电器主电路拓扑

2.2 单片机最小系统

控制系统选用具有高性能RISC CPU的快速单片机PIC16F877作为核心处理芯片，该芯片最多可接受14个中断源，具有模数转换器，最多可输入8个模拟量，具有CCP(capture/compare/pwm)模块。太阳电池板输出电压、电流，蓄电池电压、充电电流与温度信息分别通过模拟量输入端口RA0、RA1、RA2、RA3、RE0进行采集。温度传感器选用LM35D，其输出电压与温度呈线性关系，使其工作于单电源供电模式。单片机对采集到的参数信息进行运算，通过CCP模块产生PWM调节Buck电路占空比，从而实现最大功率跟踪与蓄电池充电控制。图3为单片机最小系统电路图。

图3 单片机最小系统电路

2.3 MOSFET驱动电路设计

作为控制电路与主电路之间的桥梁，驱动电路对整个系统的性能具有重要作用，设计良好的驱动电路能够缩短开关时间、提高运行效率和可靠性。设计中采用了美国IR公司生产的驱动单个MOSFET或IGBT的专用集成芯片IR2117，该芯片为八引脚双列直插式，内部集成有施密特触发器、脉冲增益电路、欠压检测及保护电路、脉冲滤波器等。来自PIC单片机的控制脉冲经由施密特整形后由增益电路进行放大，然后经过电平移位匹配、触发后通过互补推挽输出级输出。图4为IR2117与Buck电路连接图。

图4 MOSFET驱动电路

3 系统软件设计

图5为充电控制流程图。蓄电池的充电状态通常可用蓄电池端电压表现，因此蓄电池端电压被用来判断蓄电池是否需要最大限度获得光伏电池板能量。在充电过程中不断检测蓄电池端电压和充电电流，若充电电流Ic大于设定充电限制电流Ilim，则减小占空比，控制充电电流大小。若充电电流小于限制电流，则将蓄电池端电压Vbat与设定电压值Vmax比较，若超出设定电压，则需要调整占空比减小充电电压；若在限定值之内则进行最大功率点跟踪，增大光伏电池输出功率。大约70%的电池容量是在大电流快充阶段恢复，小电流补足充电恢复蓄电池全部容量。停充控制选用温度控制法，蓄电池在未充满电状态时温度变化不明显，一旦蓄电池过充，温度会迅速上升，当两个采样周期温度差值大于设定额定值时便结束充电。蓄电池由大电流转为小电流充电时，光伏电池工作电压若在最大功率点右侧，则最初输出功率可能会随着占空比减小反而升高，此时用大步长迅速减小光伏电池板工作点电压，使其电压工作于最大功率点左侧，然后用小步长调节电流大小。

图5 充电控制流程

光伏电池的P-U曲线最大功率点附近可近似看做一小段正弦波波峰，最大功率点左侧曲线可近似看做斜率为正的一条直线，最大功率点右侧部分可近似看做斜率为负的一条直线。那么变化的步长可表示为：ΔU(k+1)=M|ΔP(k)/ΔU(k)|，比例系数M为一常数，取值由系统特性决定。当ΔP(k)/ΔU(k)变化较小时，功率变化由扰动引起；当ΔP(k)/ΔU(k)变化较大时，功率变化主要由环境因素决定，此时加大步长能有效提高动态响应速度。MPPT控制流程如图6所示。ΔP＜A表示功率变化小于判定值A，可认为工作于最大功率点而不改变工作电压。

图6 MPPT控制流程

4 算法验证与充电测试

MPPT算法验证：用了1 W、5 V的太阳电池板，负载为两节串联锂电池，开关频率50 kHz。从图7可以看出未启用MPPC时电压高而功率与电流较小，启用MPPC后功率与电流明显提升，而电压有所下降。

图7 MPPT算法验证测试

蓄电池充电测试：光伏电池选用50 W多晶硅太阳电池板，开路电压22 V，转换效率17%。蓄电池选用12 V 14 Ah铅酸免维护电池。测试当天晴朗无云，从中午10点开始对蓄电池进行空负载充电，对蓄电池端电压进行检测，图8显示了充电过程中蓄电池端电压变化情况。充电完成时蓄电池端电压为14.4 V，静置一段时间后，蓄电池端电压下降到12.6 V，基本达到满荷电状态。

图8 充电过程蓄电池端电压变化曲线

5 结语

对MPPT算法的验证说明了该算法设计合理，可显著提高光伏电池效率，获得更多电量。对蓄电池的充电测试表明该光伏充电系统工作稳定可靠，相对于没有MPPT功能的充电器，可以更快完成对蓄电池的充电。该充电系统成本低，具有一定的实用和推广价值，可应用于野外监测、通信等多种用电设备的蓄电池充电。

[1]KARAMI N,MOUBAYED N,OUTBIB R.Analysis and implementation of an adaptative PV based battery floating charger[J]. Solar Energy,2012,86:2383-2396.

[2]宋亮，王晓东，刘雯，等.光伏电池MPPT扰动观察法的研究现状[J].半导体光电，2012，33(4)：455-462.

[3]LIU X,LOPES L A C.An improved perturbation and observation maximum power point tracking algorithm for PV arrays[J].Power Electronics Specialists Conference,2004(3):2005-2010.

Design of stand-alone photovoltaic quick charger based on PIC microcontroller

MIAO Feng-juan1,LIU Tong-kai1,TAO Bai-rui1,AN Zi-jian2,WANG Zhe1
(1.School of Communication and Electronic Engineering,Qiqihar University,Qiqihaer Heilongjiang 161000,China;2.School of Electronic Engineering,Xi'an University of Electronic Science and Technology,Xi'an Shanxi 710000,China)

Maximum power point tracking(MPPT)is a key technology of modulating working point of the solar panels to obtain maximum power.A stand-alone PV quick charger with MPPT was designed.A Buck circuit and PIC single chip microcomputer were used as main circuit and main control chip in control circuit.A kind of improved perturb and observe algorithm was used and validated, and the battery charging was tested. The charging time and SOC demonstrate the system efficiently and steadily operates,and it can be used to charge various electrical equipment batteries away from the grid after improved.

stand-alone photovoltaic system;charger;PIC;MPPT

TM 914

A

1002-087 X(2015)08-1736-03

2015-01-20

国家自然科学基金(61204127)；黑龙江省自然科学基金 (F201332)；黑龙江省普通高等学校新世纪优秀人才培养计划(1253-NECT025)

苗凤娟(1982－)，女，黑龙江省人，博士，副教授，主要研究方向为微传感器技术、无线传感网络、新能源器件。