智能化船用太阳能充电控制器的研制

张少明，崔 浩，区锦品，邓业胜



智能化船用太阳能充电控制器的研制

张少明1,2，崔 浩1，区锦品1，邓业胜2

（1. 广东交通职业技术学院，广州510800; 2. 广东高校船舶自动化集成技术开发中心，广州510800）

设计一种针对小型船舶太阳能智能控制器，能简单与船舶原充放电系统进行组合，使得太阳能在小型船舶上的使用更加方便与高效。

小型船舶 太阳能 PWM 充放电管理

0 引言

随着太阳能充电系统在内河船舶上使用逐步增加，但没有专门针对船舶系统设计的太阳能充放电控制器，虽说目前的太阳能控制器产品了相对成熟，但基本为陆用，现有控制器基本没考虑船舶原有蓄电池充放电系统，安装使用时则需要对船舶原有的充放电系统进行线路改造，针对此，设计出一套符合小型船舶使用的太阳能充放电控制器，将原船充放电系统加入太阳能控制器的设计中，提高使用效率与减少线路的改造。经过重新设计与制作，新的控制器不但可以改进在内河船舶上增添太阳能时的线路改造外，还可以为渔船或封闭水域的小型船舶在长时间停航或休渔期时，蓄电池因不能及时充电管理，造成蓄电池损坏、减短寿命[1]。

1 系统设计

1.1 设计思路

从以下三点考虑：1）使太阳能板充电能可使用在内河船舶、封闭水域船舶及渔船等中使用，可降低船舶排放，保护环境；2）太阳能板充电与内河船舶、封闭水域船舶及渔船原有的充电系统互相转换充电，能降低运营成本，也能满足实际需要；3）控制器功能上必须有防止蓄电池过载充电、过载放电等太阳能控制器的基本功能；

本技术方案的结构有船舶原有充电系统、太阳能充电板、蓄电池、电路控制器、负载五部分组成。如图1所示：方框为控制器，其系统框图如图所示。主要包括电压采集、温度采集、电流采集、驱动输出和显示电路等单元电路。此技术方案能实现船舶发电机（原充电系统）的充电与太阳能板充电的转换，起到蓄电池过充放电保护及管理，显著延长蓄电池的使用寿命[1]。

1.2 组成

根据以上功能要求完成初步电路控制图：

红色框为智能充电控制器：主要包括主电路及单片机控制电路二个部分。

1）主电路连接外部整个系统，外接端口1、2连接太阳能板；3、4端口连接船舶发电机（原充电系统）；5、6端口连接蓄电池组；7、8端口连接负载、逆变器或电网，供直流设备或交流设备。设有U1～U3电压采集、单片机输出S1～S4信号驱动Q1～Q4的双栅场效应管控制器、肖基特二极管SBD1、SBD2、保险丝FUSE、报警BUZZER等组成；

2)控制电路使用微处理控制器为核心，连接电压采集U1～U3、温度采集Rv、电流采集（电路中未体现）、驱动输出S1～S4、起动发电机信号和显示电路等组成。单片机控制部分设计如图2。

1.3 工作原理

单片机通过对太阳能电池板、蓄电池及充电电网电压、负载电流、环境温度等参数的循环检测、判断，控制驱动输出U1～U4信号，对S1～S4双栅场效应管进行开关控制，完成船舶发电机（原充电系统）的充电与太阳能板充电的转换，进行充电、放电、过充、过放和过载保护以及温度补偿等功能，起到蓄电池过充放电保护及管理。

1）充电管理

如图1所示，系统初始上电工作时，单片机根据U1和U2对太阳能充电面板和充电电网的端电压进行采样，判断当前光线情况。如U1电压足够，说明太阳光线足够，打开Q1，由太阳能面板向蓄电池供电；若S1电压很压或为零可判断外界光线很暗，转由船舶电网向蓄电池供电，关断Q1，打开Q2，接通充电电网向蓄电池供电，若U2电压足够，说明充电电网有电，若U2与U3同时不足时，发出起动发电柴油机信号。

2）蓄电池充放电管理

二极管SBD2防止蓄电池向太阳能电板和充电网反向充电，单片机通过判断U3电压，决定是否打开Q1或Q2向蓄电池充电，通过发光二极管发出U1～U3对蓄电池进行充放电管理，选用四段充电法。

充电初期，S1或S2控制信号采用小PWM占空比脉冲信号，实现对蓄电池以较小电流进行初步充电；充电中期，S1或S2信号采用相对较大PWM占空比脉冲信号，控制M1或M2导通和判断，实现快速的脉冲充电。并适时地输出S3信号对蓄电池进行反向大电流瞬间放电，可消除蓄电池的极化现象；充电后期，充电至蓄电池容量约九成时，输出固定PWM，充电电流偏小，时间长，使蓄电池容量接近满格；最后，进入浮充电状态。

3）保护电路

D2可以防止极性接反而造成负载损坏；双栅场效应管Q4可作为过放和过载保护作用，Q4与负载形成串联关系，当检测出场效应管导通电阻压降超过规定值时，说明负载电流达到最大允许值，单片机通过S4控制Q4关断，当电流恢复正常后，Q4又可以重新开启恢复工作，属于自恢复型。

4）其他电路

取铅酸蓄电池温度补偿值为-4 mV/0C/节计算，实现温度补偿，单片机通过图2中ADC3电压值采样，对蓄电池过充过放进行校正和补偿；设置蜂鸣器BUZZER及发光二极管做为报警[2]。

2 充电方式依据

根据马斯3定律明:在充电过程中,当充电电流接近蓄电池固有的微量析气充电曲线时,适时地对电池进行反向大电流瞬间放电,能消除电池的极化现象,可以提高蓄电池的充电接受能力,从而大大提高充电速度,缩短充电时间[3]。

3）蓄电池最终的允许充电电流t(接受能力)是各个放电率下的允许充电电流的总和,蓄电池的总电流接受比表示为:,为各次放电量的总和,即蓄电池放出的全部电量[3]。

方案采用了快速PWM动态恒压充电方式。根据蓄电池端电压调整PWM脉冲的占空比,由于占空比不同得到的平均电压也会不同,因此,对蓄电池的充电电压就会不同,从而控制了充电电压的大小[4]。

3 实验效果

设计电流为40 A以内，故选用Q1～Q4的双栅场效应管型号IRF3205，功率若再提高，需对效应管及电路进行适当修改；充电电源管理测试，数据经过多组测量，取平均值，环境温度为25～35 C°之间，如表1。数据符合控制要求，其中12 V电压充满电压测试，平均值约13.68 V。

有太阳充足时，当太阳能板端电压低于5.3V时或蓄电池电压低于充电电压时，自动切换为船舶电源提供，充电时电路板上有红灯闪烁，充满电是红灯常亮。

4 结语

模块适合在船舶加装太阳能设备时使用，可在原配电基础上直接加装，方便高效，可有效延长蓄电池的使用寿命及提高光伏系统效率，具有一定应用价值。

[1] 张少明.一种船舶蓄电池充放电智能控制器.中国专利ZL201520895866.3[P].2016.

[2] 李维华.智能型太阳能控制器的研制[J].新能源,2000,22(12):74-76.

[3] 张鹏,王兴君,王松林.电动车铅酸蓄电池的脉冲快速充电设计[J].现代电子技术，2007,18:177-180.

[4] 杜娟娟,裴云庆,王兆安.电动车铅酸蓄电池的脉冲快速充电设计[J].电源技术应用，2005,8(3):28-31.

Development of Intelligent Marine Solar Charging Controller

Zhang Shaoming1,2, Cui Hao1, Qu Jinpin1, Deng Yesheng2

（1.Guang Dong Communication Polytechic, Guangzhou 510800,China; 2.Guangdong University Ship Automation System Integration Engineering Technology Development Center, Guangzhou 510800, China）

TM615

A

1003-4862（2017）03-0067-03

2016-12-15

张少明 (1974-)，男，副教授。研究方向：轮机工程技术。