电动自行车光伏快速善充智能控制系统

2016-03-11汤定德

电源技术 2016年4期

关键词：输出特性酸蓄电池电容器

汤定德，周青

(江西科技学院，江西南昌330098)

电动自行车光伏快速善充智能控制系统

汤定德，周青

(江西科技学院，江西南昌330098)

论述了快速和善充对光伏充电器的重要性，分析了铅酸蓄电池充放电过程的化学反应机理以及光伏电池的输出特性，提出了一种由单片机控制并始终处于脉冲式充电方式下的光伏智能控制系统，其能在晴朗的白天充分利用阳光，从而实现快速充电；也能有效避免蓄电池的极化和硫化，从而延长蓄电池使用寿命，减小更换蓄电池的成本。仿真和实验结果表明，该充电系统可智能地实现光伏快充和善充。

光伏充电器；单片机；快速充电；使用寿命

现在，绝大多数电动自行车都采用铅酸蓄电池(48 V)，主要因其价格低、含污染成分少、可回收性好等特点而备受青睐。随着新能源的不断研究和开发，充分利用太阳能进行充电也备受关注，研究一款适用的光伏充电器也自然成为当下一大热点。

众所周知，铅酸蓄电池并非真的能蓄电，它只是一个既能在充电过程中把电能转换成化学能，又能在放电过程中把化学能转变成电能的变换器。在充放电过程中，铅酸蓄电池的阳极(PbO2)、阴极(Pb)及电解液(稀H2SO4)之间发生如下化学反应[1]：

由式(1)可知，当蓄电池进行放电时，主要生成一种附着在内部电极表面的白色结晶体——硫酸铅，若此物在充电后依旧不能剥离极板表面而转化为活性物质，这就是所谓的硫化现象；当两极的硫酸铅被完全还原成原来的活性物质时，即充电结束；但若再继续充电，则发生水的电解反应，且阴极板产生氢而阳极板产生氧，这就是所谓的气化现象(足量充电前若因连续电流过大而极化也会发生气化现象)[1]。因此，要设计一款适用的电动自行车光伏充电控制系统，除应重点考虑快速充电(尽快充分利用太阳能)外，还得有效防止硫化和析气现象以延长蓄电池的使用寿命。本文分析了铅酸蓄电池充放电过程的化学反应机理以及光伏电池的输出特性，提出了一种由单片机控制并始终处于脉冲式充电方式下的光伏智能控制系统。

1 光伏电池输出特性

光伏电池的输出特性受外界环境影响大，主要体现在环境温度和光辐射强度两方面。温度影响开路电压，温度越高则反而越小；而光辐射强度则主要影响短路电流，辐射越强则越大[2]。不同温度和辐射强度下的I-V特性和P-V特性如图1所示。

在符合实际使用的原则下，温度为50℃时的太阳电池最佳工作电压的温度系数标称值为－2.3 mV/℃[3]，则当开路电压较小(55 V左右)时可忽略温度的影响，且由图1可知，光伏电池输出电压在80%()以内的电流较大且呈现近似恒流输出特性。当光伏电池输出电压为80%时输出功率达到最大值，此电压值在小开路电压和温度及辐射强度变化情况下可认为不变，这也是经常将光伏输出电压稳定在此点以尽可能实现最大功率输出的原因[4]。

要实现快速充电，必须在晴朗的白天把握好阳光并充分利用，即尽可能使光伏电池工作在最大功率输出点上；而延长蓄电池的使用寿命必须有效遏制蓄电池极化和硫化现象，即设法避免连续大电流充电，更要避免过充电。

图1 光伏电池的输出特性

2 电动车光伏充电控制电路原理

快速善充光伏控制电路框图如图2所示，两个同向二极管主要用来对蓄电池进行单方向充电；三个电容器(C1、C2和C3)串联分压，为单片机、继电器和开关器件(IGBT)的可靠工作提供电源，同时也为光伏电池在充电后期工作于最大功率输出点附近提供一定保障。图2中的检测电路用于不同充电阶段切换条件的判断。考虑到数模转换相对复杂且影响效率和体积，系统中舍弃了常用ADC进行检测的方法而采用光耦(共两组)，其原理框图如图3所示，=5 kΩ为上拉电阻，和为限流电阻，但因前者的电源为5 V，而后者的供电来自蓄电池两端电压，因此两者的取值不同。其中=300 Ω，而的取值与所选光耦型号有关，经调试最终取值为4.3 kΩ(其中一组检测电路)或5.1 kΩ(另一组检测电路)。

图2 光伏充电系统框图

图3 其中一组检测电路

假设蓄电池和电容器组中均无任何电量，充电时太阳电池先快速给三个串联电容器充电，当充电到单片机可以正常工作时，开关管被驱动导通(驱动脉冲频率为100 Hz且占空比为80%)，此时太阳电池和串联电容器组并列对蓄电池充电(可点亮红色LED以示正在充电)。随着电容器组不断放电，单片机因电源电压不断减小终致无法正常工作 (IGBT自行截止)，于是光伏电池又对电容器组快速充电，直至单片机正常工作后驱动IGBT再次导通，如此循环往复直到单片机稳定连续工作。此后，若在IGBT截止期间检测到蓄电池电压(内阻因无电流流过而无压降)达到光伏电池的80%左右(可点亮黄色LED指示)，即蓄电池充电到约44 V时继电器动作，于是系统经电感L和IGBT(驱动脉冲频率为500 Hz且占空比为80%)对蓄电池进行更快速间歇式充电，此时相当于太阳电池和电容器组并联后再与电感同向串联，并对蓄电池进行最后充电。若电感L值选择恰当(设电感两端产生的感生电动势为4 V)，则蓄电池在充电快结束(48 V)时的电流仍然较大，因为整个充电过程中光伏电池的输出电压一直维持在80%以内，从而实现了对蓄电池进行间歇式大电流(快速)充电。当在IGBT截止期间检测到蓄电池已充满电 (可只点亮绿色LED指示)，则立即断开IGBT以停止对蓄电池充电。若蓄电池电压在电动车使用中减小，则系统又经电感对蓄电池进行充电，有效避免了有阳光条件下的过度放电，体现出一定的人工智能。

充电控制过程如图4所示，在整个充电过程中，蓄电池一直处于脉冲式充电状态，从而使蓄电池化学反应更加充分，能有效减少析气量，也提高了蓄电池的充电电流接受率，也使蓄电池的使用寿命得以延长。

图4 充电控制程序流程图

3 光伏充电系统中元器件参数计算

在图2中，所选继电器线圈(应反接二极管续流)驱动电压为DC 24 V，IGBT驱动电压为15 V，单片机稳定工作电压设为DC 5 V，根据电容器串联分压原理可得[5]：

4 仿真与实验数据分析

用Matlab(Simulink)进行仿真，蓄电池充电过程中端电压的变化情况如图5所示，fffd1b之前为充电的第一阶段，fffd1a时刻充电结束。整个充电过程的蓄电池端电压近似呈线性递增变化，原因主要有二，首先因蓄电池除检测电路外就再无其它放电回路(只考虑充电过程)，再则因整个充电过程中光伏电池输出电压均在80%fffd19以内，充电电流近似呈现恒流特性。

Intelligent control system of photovoltaic quick and profitable charging for electric bicycle

The importance of fast and good charging process for photovoltaic charger was discussed， and the chemical reaction mechanism of the charge and discharge process on lead-acid batteries and output characteristics of photovoltaic cells were analyzed. An intelligent photovoltaic controller which can be controlled in the pulse-charging mode by single was proposed.The controller can make full use of the sun during the day to charge quickly. The controller also can effectively avoid the polarization and vulcanization to the battery to prolong the service life of the battery and reduce the cost of replacing battery.The results of simulation and experiment show that the system can quickly and profitably realize photovoltaic charging.

photovoltaic charger;single chip;quick charging;service life

TM 615

1002-087 X(2016)04-0781-02