单片机技术对蓄电池充放电控制的应用①
2020-08-25张晓伟
张晓伟
（许昌职业技术学院 河南许昌461000）
随着全球气候变暖，不可再生能源逐渐减少，环境污染问题引起了全球的关注。光伏发电作为新兴可再生能源，因其绿色、干净、无污染、可再生、价格低、利用方便等优点［1］，已得到全世界的重视。
1 我国发展太阳能的优势
太阳辐射到地球表面的能量可达到80万kw/s，假如能把太阳照射到地球表面10‰的能量转换为电能，转变率为5%，那么，一年的光伏发电量就能达到5.6×1011kw·h，是目前全球能耗的4 倍［2］。纬度不同，太阳能光板设置的仰角也会不同，不同纬度地区太阳能光板的仰角取值参考见表1［3］。
我国的地理位置独特，全年日照资源丰富，《2017～2022 年中国光伏发电市场行情动态及发展前景预测报告》显示，我国属于太阳能资源丰富的国家，全国有2/3 以上地区年日照时数大于2 000 h，年辐射量在5 000 MJ/m2以上。据统计资料分析，中国陆地面积每年接收的太阳辐射总量为3.3×103～8.4×103MJ/m2，相当于2.4×104亿t标准煤的储量。因此，在我国发展光伏发电产业的前景非常广阔。
表1 不同纬度地区太阳能光板的仰角取值
2 太阳能光伏发电系统概述
太阳能光伏发电系统（Photovoltaic Power Generating System，简称PV 系统）；是利用太阳能电池组件和其他辅助设备将太阳能转换成电能的系统，一般将太阳能光伏发电系统分为独立系统、并网系统和混合系统。根据太阳能光伏发电系统的应用形式、规模和负载类型，对太阳能光伏发电系统进行细分，可分为如下几种类型：小型太阳能光伏发电系统，太阳能光伏发电直流供电系统，大型太阳能光伏发电系统，太阳能光伏发电交流、直流供电系统，并网太阳能光伏发电系统，混合供电太阳能光伏发电系统，并网混合太阳能光伏发电系统。
独立太阳能光伏发电系统在自己的闭路系统内形成电路，通过太阳能电池组将接收的太阳能辐射能量直接转换成电能供给负载，并将多余能量经过充电控制器以化学能的形式储存在蓄电池中。并网发电系统通过太阳能电池组将接受的太阳辐射能量转换为电能，经过高频直流转换后变成高压直流电，经逆变器逆变后向电网输出与电网电压同频、同相的正弦交流电流［4］。
2.1 光伏发电系统
由图1可知，光伏发电系统中，太阳能光板将白天采集的太阳光，经逆变器转换成交流电，再由控制器升压供家用电器或生产企业使用。由于在夜间没有太阳光，太阳能发电系统将白天产生的多余的电能储存到蓄电池，供夜间使用。
图1 光伏发电系统框图
2.2 蓄电池工作过程
由图2可知，晶片接收太阳光照射时，硅半导体材料的PN结中，N区的空穴向P区运动，相反P区的电子向N 区运动，形成从N 区流向P 区的电流，在二者交界处形成了电势差，也就是电源。
图2 蓄电池工作过程
纯净的半导体是不会导电的，为了增加半导体内导电微粒——空穴、自由电子的数目，通常制作PN 结时，在半导体中掺入五氧化二磷（P2O5）、三硫化二砷（As2S3）、三硫化二镓（Ga2S3）等杂质［5］，可大大提高半导体材料的导电能力。在太阳能光板大小不变的情况下，将太阳能光板用金属网格覆盖P-N结，可增大太阳光的照射面积。为减少太阳能光板对太阳光照的反射，在太阳能光板表面涂一层防反射涂层，能够将太阳光照反射的损失减小到5%以内，大大提高了照射到太阳能光板能量的利用率。
由于单个电池产生的电能有限，可将多个电池（通常取36 个）通过并联或串联方式组成太阳能光电板。
3 蓄电池充放电控制程序
蓄电池作为光伏发电系统的重要组成部分，使用寿命长短直接影响整个光伏发电系统使用的经济性。影响蓄电池使用寿命的关键因素主要为蓄电池的充电程度和放电深度。蓄电池作为负载的供电电源，在使用过程中，若出现连续阴、雨、雪天等，容易造成蓄电池过度放电；蓄电池作为太阳能发电系统的储能设备，当出现连续暴晒，容易造成蓄电池过度充电。过度充电或放电都将会造成蓄电池疲劳，从而丧失储能功能，因此，需控制蓄电池的充电程度和放电深度。
3.1 单片机技术
为提高蓄电池充放电控制的精确度，可采用单片机控制技术。单片机又称为微型控制器（Microcontroller），是一个集成在芯片上、完整的计算机系统，其大部分功能集成在小芯片上，具有一个完整计算机所必需的大部分部件：CPU、内存、内部和外部总线系统，外存以及集成诸如通讯接口、定时器，实时时钟等的外围设备。
单片机研究初衷是应用在工业控制领域，最初的设计理念是将大量外围设备和CPU 集成在一个芯片中，使计算机系统更小，更容易集成复杂、体积要求小的控制设备中。
单片机开始于20 世纪70 年代末，经历了SCM、MCU、SOC三大阶段［6］。
作为微型机的一个主要分支，其结构特点是把CPU、定时器、存储器和I/O 接口电路集成制作在一块超大规模的集成电路芯片上，使其组成和功能等同于一台计算机。
3.2 控制程序
本研究对8 块太阳能光板采光发电，2 块蓄电池储能，蓄电池的充放电电压控制在12～15 V，该控制过程采用89C51系列单片机芯片完成。
控制程序如下：
#include
//变量
xdata unsigned int delayms；//计时毫秒（延时用）
xdata unsigned char dispnomber；//显示位数
xdata unsigned char dispdata［4］；//显示数据void control（void）；
code unsigned char disptable ［17］ =//显 示段码
｛//0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 A B C D E F
0x3F， 0x06， 0x5B， 0x4F， 0x66， 0x6D，0x7D，0x07，0x7F，0x6F，0x77，0x7C，0x39，0x5E，0x79，0x71，0X80，｝；
u16 Get_ADC10bitResult（u8 channel）；//AD转换
void main （void）
｛
ADC_CONTR=0x80；//90T，ADC power on
Start （）；//初始状态
while （1）
｛
control（）；//风光互补控制
｝
｝
void control（void）
｛
if（CHK_15VO） //判断太阳能输入电压
｛
KZ15VO=1；//太阳能供电开启
KZ15VIN=1；//开关电源供电开启
LED_15VO=0；//太阳能输出指示灯
LED_15VIN=0；//开关电源供电指示灯
if（CHK_15V） //判断15V电压
｛
KZBTIN=1；//充电打开
LED_BTIN=0；//充电指示灯
if（CHK_12V） //判断输出电压是否大于12V
｛
KZBTOUT1=0；//蓄电池不供电
KZBTOUT2=0；
LED_BTOUT1=1；
LED_BTOUT2=1；
｝
else//小于12V电池放电
｛
KZBTOUT1=0；
KZBTOUT2=1；
LED_BTOUT1=1；
LED_BTOUT2=0；
｝
｝
else//小于15V，充电关闭
｛
KZBTIN=0；
LED_BTIN=1；
｝
｝
else//太阳能输入电压不足
｛
KZ15VO=0；//关闭太阳能输出
KZ15VIN=0；//关闭开关电源供电
LED_15VO=1；//LED熄灭
LED_15VIN=1；
……
未使用单片机控制前，主要是通过光伏发电系统中指示灯的亮度变化或颜色改变来判断蓄电池的充放电程度，但该方法控制误差大，其原因一方面是由于指示灯的亮度变化不容易观察到；另一方面指示灯使用时间长时，自身亮度变暗，使得显示不准确，导致蓄电池充放电控制精度低，耗费人力，且蓄电池的充电电压超过15.80 V，而放电电压低于10.23 V，蓄电池易疲劳，降低使用寿命。而采用单片机技术控制蓄电池的充放电过程，保证了蓄电池的充电电压不超过15 V，放电电压不低于12 V，有效控制了蓄电池的充电程度和放电深度，通过用户评价，蓄电池的使用寿命平均能够延长1年到1年零3个月。
