智能复合电池充电控制器设计与研制

王绍武

（平顶山工业职业技术学院 自动化与信息工程学院，河南平顶山，467001）

0 引言

太阳能电池制造由于技术上的精进，使其成本逐渐降低，国内有许多有关于太阳能发电技术应用于照明系统，其中，针对电动车的能源电池，设计成一个简单、便利及高效率的复合式电池系统，电源供应器采用多组并联使用，可以提供电子设备高可靠度及大电流输出的电源供应需求。但并联电源供应器必须藉由均流控制技术，才能确保负载电流均匀地分配至每一个模块上。本文采用微控制器Microchip PIC18，可同时做升降压控制，电池状态侦测、判断控制器送出信号控制复合电池充放电，提升充电效能及使用寿命，最后并使用Minitab软件进行模拟及分析验证可行性。

1 研究方法

铅酸电池虽具设置成本低的优点，然而重量重、体积大、3～4年需更换电池及需增加电池更换费用缺点；其次，锂铁电池则有充放电效率极佳、寿命超长优点，不过唯一缺点是设置成本高昂。因此本文整合两种电池优点，提出复合电池概念远比铅酸电池有较佳充放电效率、寿命增加3倍等的优点，若铅酸电池容量为锂铁电池约3倍，不仅充放电效率佳、提高照明亮度、寿命长而且汰换电池率低、降低维护费。

图1为本系统架构，可分成：电力部分和控制部分。其中电力部分是由：太阳能电池模块、降压调整器、锂铁及铅酸电池、LED模块所组成，太阳能电池模块功能是由光能转换成电能，由降压调整器将太阳能电池电压降至锂铁及铅酸电池可接受充放电范围，得以保护电池的寿命，此外，并供给LED模块点亮。另外控制部分可分成：太阳能电池电压与锂铁及铅酸电池定电压反馈、全对称型放大电路、光耦合器TLP250、太阳能电池、锂铁及铅酸电池电流放大器以及微控制器。以下针对上述方框图进行功能说明。

图1 系统架构图

■1.1 系统架构介绍

1.1.1 电力部分

（1）太阳能电池模块

考虑系统之需求，采用太阳能电池为日本KYOCERA公司产品，选用此厂牌原因为成本较为低廉，可应用于低功率电力应用系统。太阳能电池功率输出为87 W，最大输出电压17.4 V，最大输出电流5.02 A，开路输出电压21.7 V，短路输出电流为8.02 A。

（2）降压调整器

在许多工业应用中，需要将定值之直流电压源转换为一可变之直流电压源。DC-DC转换器能够直接地将直流转换为直流，亦即为直流转换器。直流转换器可以被视为一匝数比可连续变化之交流变压器。如同变压器一般，能够将一直流电压源予以降压或升压，图2为降压调整器。采用降压调整器将太阳能电池电压降至锂铁及铅酸电池能够承受的电压对电池充电，主要避免电池过充而损坏，采用降压调整器，输出电压平均值Vo小于输入电压VS。

图2 降压调整器

（3）采用两种电池

锂铁与铅酸电池，电池之特性叙述如下：

I锂铁电池：磷酸锂铁（分子式LiMPO4，简称LFP），本文使用国际超能源高科技股份有限公司所生产的锂铁电池，构架为4颗串联，5组并联，其中一颗电池电压与容量分别为3.2 V，即4× 3.2 V = 12.8 V；锂铁电池与铅酸电池之容量比为1:2.75，能维持阴天数约为3天，因此锂铁电池容量为铅酸电池1/3。

II铅酸电池：使用统一工业股份有限公司所生产的铅酸电池，采用凝胶式深循环蓄铅酸电池12 V免保养型太阳能专用电池。

（4）LED模块

照明系统采用白光LED，每一颗LED之额定功率为1 W。为了达到20 W输出功率，20颗LED以2颗串联后并联10串之方式排列成LED模块，每路LED发光模块所生产额定驱动电流为400mA，在额定电流驱动下其输出流明数为1776Lm。假设有平均有3小时等效日照时数，则每天消耗电量预估为20 W× 3 h = 60 Wh。

1.1.2 控制部分

包括太阳能电池电压与锂铁及铅酸电池定电压反馈、全对称型放大电路、光耦合器TLP250以及PIC18F微控制器。

Microchip发 展 自 从PIC10、12与16系 列 基 本8位微控制器，至今仍是市场基本微控制器主流产品。近年Microchip成功发展更进步产品，所谓PIC18系列微控制器。PIC18系列控制器是Microchip在8位微控制器高阶产品，不只全系列皆配置硬件乘法器，具有不同产品搭配，相关周边硬件都可在PIC18系列微控制器开发C18C语言程序编译器，提供使用者更有效率程序撰写工具。

■1.2 复合电池切换原理

主要透过太阳能发电模块，经由充电控制器分别对复合电池充电，提升电池之利用率，并有效延长照明时间与电池使用寿命。所提系统架构，可分成图3及图4两种模式说明，

电池充放电优先权（Priority）以锂铁电池为主，铅酸电池为辅，主要原理分两个模式探讨：

1.2.1 模式1（天气晴朗）

太阳光充足时，太阳能电池模块吸收之太阳光转换为直流电输出，电池状态侦测、判断控制器送出信号，使得充电控制及继电器开与闭合的动作，刚开始时，锂铁电池先充电至饱和电压15 V，此时电池状态侦测控制器再送出信号，继电器切换至铅酸电池充电至饱和电压，先以锂铁电池充电，可获极高效率，等效电路如图3所示。

图3 天气晴朗锂铁先充电铅酸后充电

1.2.2 模式2（阴天）

电池状态侦测控制器会送出判断信号，使得放电控制及继电器切换至锂铁电池先放电，当电池放电量不足11V时，继电器切换至铅酸电池放电，稳定持续对负载供电，锂铁电池具切换次数寿命长优点，有效延长负载供电时间，等效电路如图4所示。

图4 阴天或晚上锂铁先放电铅酸后放电

所提太阳能电池对复合电池充电，其中锂铁与铅酸电池容量比例最佳化设计，攸关电池系统转换效率。目标函数以转换效率为最大化，此外，使用Minitab软件进行模拟及分析，根据实际的实验数据，描述受测试因子与目标函数间相互关系的数学模式，进一步借由此模式寻找极值点所在的位置。

2 结果与分析

■2.1 实验系统设备

此节系探讨白天太阳能电池对复合电池充电分析情形。为有效延长负载照明时间，并提供负载更大输出功率及缩短电池充电时间，因此将太阳能电池输出组合分为以下三种模式：单片太阳能电池模块、双片太阳能电池模块串联以及双片太阳能电池模块并联。太阳能电池采用三种模式除可提高复合电池充电效率之外，亦可延长晚上放电照明时间。

图5为测量太阳能电池模块输出功率MPPT过程，由图中得知初始微控制器追踪太阳能电池输出最大功率点时，随着照度逐渐增加，电压输出渐渐降低，电流输出也慢慢增加，由于电流增加速度远大于电压降低，以至于约在34s时搜寻输出功率最大点，因此可得到复合电池充电电压平稳输出电压。

图5 MPPT追踪过程

为有效延长负载照明时间、提供负载更大输出功率及缩短电池充电时间，因此太阳能电池输出组合方式分为三种模式。本文所采用太阳能电池，每片输出功率为87 W，为测试系统可靠度及有弹性调变系统充放电速率，太阳能电池输出能有弹性选择三种模式测试及分析。图6为本文设计电路及测量情况。此外，所提系统由太阳能电池提供复合电池充电，白天电池为充电状态，LED模块并不会点亮，直到晚上电池提供LED模块放电及点亮。由于太阳光照度随时会有变动，因此太阳能电池输出功率随照度而改变。本文实验分析以200 W/m2照度情况为例进行测量分析。

图6 本文设计电路及测量情况

2.1.1 单片PV模块测量充电情形

图7为太阳能单片输出模块经过降压转换电路对复合电池充电情形，当单片太阳能电池对复合电池充电时，由于采用PWM制定电压充电技术，因此测量MOSFET两端电压工作周期之变化，分别为VGS之工作周期只有16.73%；VGS与VDS两波形有缓冲时间延迟且呈180度反向，然而，MOSFET频率则为61.07 kHz。测量太阳能输出电压探棒置于× 1（1倍），CH1:5 V/div，则电压为16.23 V，此时锂铁电池先充电，电流探棒刻度置于100m V/A，CH4刻度：10m V/div，因此计算出电流ILi-Fe为0.1 A；因锂铁电池正处于充电状态，此时铅酸电池电流IPB值为零。太阳能电池输出电流与功率分别为0.75 A、12.17 W，转换效率为6.08%。

图7 单片PV模块测量充电情形

2.1.2 双片PV串联模块测量充电情形

图8为双片太阳能输出模块串联经过降压转换电路对复合电池充电情形，当双片太阳能电池串联输出电压变大约为25.1 9 V，对复合电池充电时，经由PWM之切换控制，由于VGS之工作周期增加至41.53%；主要原因是提升降压电路输出电压，才能对电池充电，其次，电流探棒刻度置于100 mV/A，CH4刻度：0.2 V/div，因此太阳能电流IP计算为1.79 A，太阳能电池输出电压与功率分别为25.19 V、45.09 W，转换效率为22.54%。

图8 双片PV串联模块测量充电情形

2.1.3 双片PV并联模块测量充电情形

同理，双片太阳能输出模块并联经过降压转换电路对复合电池充电时，当双片太阳能电池并联输出电流变大，只对锂铁电池充电时，VGS之工作周期只有18.26%；主要原因此时照度只有200 W/m2，太阳能电池电压VP为只有17.25 V。当锂铁电池先充电，所以铅酸电流IPB为零；而太阳能电池输出电流与功率分别为2.81A、48.62 W，转换效率为24.31%。

■2.2 可行性验证

为验证所提系统之可行性，因此将系统安装于校园一角作为LED路牌指示，除了让夜校学生更为清楚校园环境之外，且达成节能减碳目的。图9为复合电池晚上供给LED路牌放电时间曲线，经由曲线得知LED模块功率较小唯有10 W，并且使用电量较少及寿命长，因此从单颗电池来分析，锂铁电池放电时间可达12小时以上，而铅酸电池主因为电池容量较大，放电时间更长，长达53小时；因此，总放电时间可达65小时。

图9 放电时间曲线

■2.3 实验结果

考察气候与阳光照度之变化，提出太阳能电池对复合电池充电，应用微控制器PIC18F可大幅缩小硬件电路体积，采用智能脉冲宽度调变充电控制法针对复合电池来进行数位控制及实现控制策略，使其具有高充放电效率、维修成本低、延长阴天照明时间及环保效益等优点。采用降压调整器，由于太阳能电池输出电压比复合电池来得高，避免电池过充而烧毁。其次，微控制器输出PWM经由降压调整器之MOSFET开关切换，当操作于连续导通模式复合电池充电电压输出较为平稳。

本文采用复合电池，整合两颗电池优点，当白天时锂铁先充电，铅酸后充电；晚上时锂铁电池先放电，再由铅酸电池放电，提供LED模块照明时间得以延长，并能提升电池使用寿命。

3 结束语

有鉴于太阳能发电系统应用于室外照明之铅酸电池，具有充电效率差、电池易老化、寿命短、不耐高温且笨重缺点。为有效改善铅酸电池既有缺点，并结合锂铁电风池之优点，因此提出智能复合电池充电控制器应用于太阳能照明，提出太阳能电池发电系统之最大功率点追踪法。操作原理为锂铁电池先充，铅酸电池后充；放电为锂铁电池先放，铅酸后放之顺序控制，主要是运用锂铁电池充放电曲线平稳，且寿命长；铅酸电池容量大，放电时间较长，因此希望将阴天或照明时间延长，花费成本降低，且两颗电池平均寿命比单颗铅酸电池更长。