基于STM32的光伏充放电控制器设计

温宗周,费腾蛟,段俊瑞,赵建新,刘超,袁妮妮

(西安工程大学　电子信息学院,西安　710048)

基于STM32的光伏充放电控制器设计

温宗周,费腾蛟,段俊瑞,赵建新,刘超,袁妮妮

(西安工程大学电子信息学院,西安710048)

在公用照明系统中,利用光伏阵列给铅酸蓄电池充电,蓄电池为照明系统提供电能。为了保证此过程能够高效合理的进行,设计一种基于STM32F407微处理器的光伏充放电控制器。根据蓄电池及光伏阵列的特性,利用电池容量检测与MPPT(Maximum power point Tracking)技术,控制主电路为Boost电路。经过实验过程及结果的验证,此控制器可以合理有效地控制蓄电池的充放电过程,提高光伏电能的利用率,最终照明系统达到了高效稳定的工作状态。

STM32F407;Boost;MPPT;PWM;电池容量检测;模糊控制

引 言

为了更加高效地收集、存储和利用太阳能,在公用照明系统的硬件设备中,采用的是独立电源、Boost主控电路及控制器。在软件设计中,主要目的是利用MPPT算法实现对太阳能转化为电能的最大利用率,把收集来的电能存储在蓄电池里,以供照明系统使用。目前以MPPT算法为基础的控制策略各种各样,各有利弊。本文针对以蓄电池储能的独立光伏照明系统,考虑到设计的实现难易程度和经济成本的因素等,设计出了一种易实现、适应能力强、性价比高的充放电控制器。

1 硬件设计

1.1 硬件总体设计

充放电控制器的整体硬件电路主要由MCU控制电路、Boost主电路、控制驱动电路、前级与后级检测电路、保护电路、电池容量检测电路、隔离电路等组成。利用STM32F407微控制器去检测光伏阵列和铅酸蓄电池的大电流和强电压必须使其转换为安全的电气参量,否则会直接烧坏主芯片,采用精密电阻分压法,把强电压值转换成A/D模块可接受的电压量程范围。为了实现对蓄电池充电过程的合理有效管控,提高光伏电能的利用率,本设计通过基于模糊控制的扰动观察法去控制开关管通断的PWM信号的输出,如图1所示。

图1 系统整体框图

1.2 控制电路

控制电路由最小系统、检测电路、负载控制电路、功率管驱动电路、CPU引脚电路等组成。

本系统的负载控制是控制路灯的亮灭,直接用口线控制三极管,再由三极管驱动MOS管来控制路灯回路。负载控制电路如图2所示。

图2 系统负载控制电路

系统中共有三个功率管,其中一个控制开关的通断由三极管驱动,另外两个功率管接在系统充电电路中,需要通断5 A以上的充电电流,所以采用两片MAX4420驱动,功率开关驱动电路如图3所示。

图3 功率开关驱动电路

1.3 检测电路

此系统的检测电路有两部分:通过前级的电压电流检测可以得到太阳能电池板的输出功率,电压检测采用精密电阻分压法进行采集,电压检测电路如图4所示。

图4 系统电压检测电路

通过经DC-DC变换后的电压电流的检测可以得到给铅酸蓄电池提供的充电电流及功率,电流检测采用霍尔传感器芯片采集电流信号,电流检测电路如图5所示。

1.4 电池容量检测原理

在夜晚时,蓄电池给照明系统供电,蓄电池处于放电状态,为了防止蓄电池因过度放电而导致其寿命缩短或损坏,必须对蓄电池的放电电流进行实时的检测,根据最小二乘法对放电电流和蓄电池容量拟合出的二次曲线关系,可以计算出其剩余容量:

图5 系统电流检测电路

式中Q0为额定容量;Q为当前剩余容量;Δti为以Ii电流放电的时间。

1.5 主电路原理

主电路采用升压型Boost电路,是因为其工作电流可连续,而且电路结构简单,更重要的是比其他电路具有更高的能量转换效率,如图6所示。

图6 Boost电路

本系统的Boost电路选择的开关管为N沟道增强型的MOSFET功率管,功耗小,适用于高频电路,通过对MOSFET功率管的栅极G输入PWM控制信号,即可控制功率管的通断。电感L为Boost电路的缓冲元件,可以起到续电流和升电压的作用,C1、C2为滤波电容,同时C2可以储能供电,D为防反充二极管。Boost电路开关周期为T,占空比为D,0～DT时间内Q导通,输入电压对电感L充电,电感L中的电流逐渐增大,DT～T时间内Q关断,电感L开始放电,电感两端的电压与输入电源的电压叠加,使输出端产生高于输入端的电压,为铅酸蓄电池充电。

1.6 保护电路设计

此设计中加入了保护,其中包括过充保护、过放保护、短路保护等。如果过度充电,将会导致蓄电池特性变差和容量降低,甚至损坏蓄电池。故在试验中当采集到蓄电池端电压大于15.0 V时,过充保护电路将自动断开蓄电池与光伏阵列的连接。过放保护中,加入了电池容量检测单元,当电池荷电状态小于其10%时,则自动断开蓄电池与负载的连接。

2 软件设计

2.1 充电策略

完善而可靠的软件设计可以让硬件电路更加有效而稳定的工作,充放电策略是软件设计的灵魂。主程序流程图如图7所示。

图7 主程序流程图

充放电过程分为两种情况:白天充电和夜晚放电。系统上电运行初始程序后,根据感光元件的判断选择运行程序。在MPPT阶段中,控制器通过调节开关管Q的占空比D,使铅酸蓄电池能够接受到光伏电池的最大输出功率为P。当充电电流大于过充终止电流时,选择以定电压的方式对蓄电池充电,同时继续检测蓄电池充电的电流。当充电电流低于额定电流的10%时,切换到浮充阶段,浮充阶段采用微高于蓄电池电压的恒压对蓄电池充电。

2.2 MPPT算法原理

在本设计当中,公共照明系统最易受到影响的因素是光照强度和温度,负载特性基本稳定,所以光伏阵列的输出特性呈现出非线性特征,我们通过调节主电路即Boost电路中功率管的占空比D,从而控制光伏阵列给主电路的输入电压,最后达到主电路的输出功率最大限度的跟踪光伏阵列的输出功率。

要使太阳能电板的输出功率值始终保持在最大功率点上,需要用相应的控制算法来对最大功率点进行跟踪,如定电压跟踪法、爬山法、电导增量法、自适应法和神经网络预测法等MPPT算法。例如,定电压跟踪法对环境变化的适应能力比较差,易产生大的功率损失,使系统的效率降低。其他的几种方法也存在着不同的弊端。因此,提出一种基于模糊控制的扰动观察法,根据光伏电池的输出调整控制变量占空比D的步长,利用此方法系统可始终工作在最大功率点附近,此方法具有跟踪简单、易实现、普通传感器即可等优点。

基于模糊控制的扰动观察法是依据当前时刻蓄电池的端电压所对应的功率值,与前一时刻蓄电池的端电压所对应的功率值的差值决定下一时刻的占空比变化量及变化方向。若输出功率增加,占空比保持原来变化的方向,反之则取相反方向。当输出功率在增大的方向变化较大时,则占空比的变化量也应做出同方向较大的变化。在达到最大功率点附近时,尽量保证系统稳定工作,避免出现频繁振荡现象。

图8 模糊控制原理图

如图8所示,模糊控制系统有两个输入变量,一个是蓄电池第n时刻与第(n-1)时刻的端电压差值ΔUn,另一个是第(n-1)时刻的占空比的变化步长ΔDn-1,经过模糊推理之后,最终模糊控制系统的输出量为当前时刻的调整步长Dn。在图8中,Dn和Dn-1为第n时刻和第(n-1)时刻的PWM占空比的值。控制器电压电流测试数据如表1所列。

表1

3 实验验证与分析

实验采用东莞星火的SFM40的太阳能电池板,功率为40 W,蓄电池为松下阀控式铅酸蓄电池,型号为LCRA127R2T1(12 V,14.4 Ah)。将Boost主电路板与太阳能充放电控制器连接,然后再与太阳能电池板和阀控铅酸蓄电池相连接。经实验验证,分别采用基于模糊控制扰动观察法的充放电控制器和普通充放电控制器充电过程中各物理值如表1所列。测试时间上午11:00,光伏板开路电压为21.5 V,光伏板短路电流为2.56 A,蓄电池开路电压为12.45 V。

由表1的实际测量数据显示,在充电过程中采用基于模糊控制的MPPT光伏充放电控制器较普通充放电控制器,能更好地实现充电过程。

4 实验结论

由实验数据可知,采用基于模糊控制的扰动

78

Photovoltaic Charge and Discharge Controller Based on STM32

Wen Zongzhou,Fei Tengjiao,Duan Junrui,Zhao Jianxin,Liu Chao,Yuan Nini

(College of Electronics&Information,Xi'an Polytechnic University,Xi'an 710048,China)

In the public lighting system,the photovoltaic array is used to charge for the lead-acid battery,then the battery provides electrical energy for the lighting system.In order to guarantee the process efficient and reasonable,a photovoltaic charge and discharge controller based on microprocessor STM32F407 is designed.The properties of the battery and photovoltaic array,the battery capacity test and MPPT(maximum power point tracking)technologies are used.The control of main circuit is the Boost circuit.The experiment results show that the controller can control the battery charge and discharge process effectively,which improves the utilization rate of the photovoltaic power and lighting system,eventually achieves the stable and efficient working condition.

STM32F407;Boost;MPPT;PWM;battery capacity test;fuzzy control

TP29

A