智能太阳能充电系统设计

第 1 期2011 年 1 月电 源 学 报Journal of Power SupplyNo.1Jan.2011一种便携式简易智能光伏充电器的设计李威辰 ， 郭瑭瑭 ， 邓 焰 ， 何湘宁（ 浙江大学电气工程学院 ， 杭州 310027）摘要 ： 提出了一种便携式简易智能光伏充电器的设计方法 。 充电器仅由几片模拟芯片组成 ， 结构简单 ， 易于实现 。 充电器有三种充电模式 ： MPPT 充电 ， 恒压充电 ， 限流充电 。 充电器可根据实际情况智能切换充电模式 ， 既充分利用光伏电池 ， 又不损伤蓄电池 。 充电器易于集成 ， 从而减小体积使其更适合便携的应用场合 。 最后制作了一台 60 W的样机 ， 验证提出的设计方法是可行的 。关键词 ： 充电器 ； 光伏电池 ； MPPT ； 蓄电池中图分类号 ： TM910.6 文献标志码 ： B 文章编号 ： CN12-1420 （ 2011） 01-0056-051 引言随着全球对能源需求的不断增长以及环境污染的日益加重 ， 光伏发电越来越受到广泛的重视 。其中独立光伏发电系统广泛用在便携的应用场合 ，来提供清洁的 、 可持续的电力供应 。 一般的独立光伏发电系统的前级由光伏电池 、 DC-DC 变流器和蓄电池组成 ， 是一个光伏充电器 [1]。光伏电池的伏安特性曲线是非线性的 ， 存在着一个最大功率点 。 为了充分利用光伏电池 ， 应使光伏电池一直工作在最大功率点处 ， 输出最多的电能 。 但是 ， 当外界环境的温度和光照强度变化时 ， 最大功率点的位置也相应变化 ， 因此需要调整光伏电池 ， 使其工作在新的最大功率点处 ， 这就是光伏发电中的最大功率点跟踪 （ MPPT） 问题 。传统的蓄电池充电过程包括两个阶段 ： 首先是对蓄电池进行恒流充电 ， 当蓄电池的电压达到浮充电压后 ， 充电模式变为恒压充电 [2]。采用光伏电池为蓄电池充电 ， 一方面要充分利用光伏电池 ， 对光伏电池进行最大功率点跟踪 。 但是在充电的末期 ， 充电电流过大会对蓄电池造成损伤 ， 减少蓄电池的寿命 。 另一方面 ， 如果按照传统的充电方式进行充电 ， 则会造成太阳能的损失 。 因此 ，光伏充电器的充电策略与传统的充电器不同 ， 除了考虑不损伤蓄电池外 ， 还需要考虑光伏电池的利用率 。 此外 ， 在便携应用场合中 ， 充电器的体积和重量也很重要 。本文提出一种便携式简易智能光伏充电器的设计 ， 适合使用光伏电池为蓄电池充电的场合 ， 采用了开路电压比例法实现 MPPT。 充电过程包括三种充电模式 。 第一种是限流充电模式 ， 把充电电流限制在蓄电池最大充电电流以下 ， 从而保护蓄电池不受损伤 。 第二种是 MPPT 充电模式 ， 充电器对光伏电池进行最大功率点跟踪 ， 充分利用光伏电池 。 第三种是恒压充电模式 ， 充电器对蓄电池进行恒压浮充 ， 此时充电电流很小 。 充电器可根据实际情况智能的在三种充电模式中进行相互转换 。2 简易智能光伏充电器的原理图 1 是简易智能光伏充电器的结构框图 。 在便携应用场合中 ， 光伏电池要满足轻便的要求 ， 所以光伏电池的电压选择在 16.5～ 21 V 之间 ， 高于蓄电收稿日期 ： 2010-05-07作者简介 ： 李威辰 （ 1986- ）， 男 ， 浙江大学硕士生 ， 研究方向为光伏发电技术 。郭瑭瑭 （ 1987- ）， 男 ， 浙江大学硕士生 ， 研究方向为电力电子技术 。邓焰 （ 1973- ）， 男 ， 浙江大学副教授 ， 研究方向为电力电子技术 。何湘宁 （ 1961- ）， 男 ， 浙江大学教授 ， 博士生导师 ， 研究方向为电力电子技术及其在工业应用方面的研究 。池的 11.1 V 电压 。 为了减小体积和重量 ， 蓄电池采用锂电池 。 充电器的主电路采用降压型的 Buck 变流器 ， 因为 Buck 变流器结构简单 ， 成本低 。充电器的控制电路由 MPPT 控制环 、 限流控制环 、 恒压控制环和一个智能选择开关组成 。 根据光伏电池的输出功率和蓄电池的电压 ， 智能选择开关可以自动选择三个控制环中的一个对主电路进行控制 。当光伏电池输出的功率过大 ， 智能选择开关会选择限流控制环 ， 使得充电电流低于蓄电池的最大充电电流 。 当光伏电池的输出功率适当而且蓄电池的电压低于浮充电压 ， 智能选择开关会选择 MPPT控制环 ， 从光伏电池尽可能多的获取电能 ， 充分利用光伏电池 。 当蓄电池电压达到浮充电压后 ， 恒压控制环被选中 。 充电器会对蓄电池以很小的电流进行恒压浮充 。有很多方法能够实现 MPPT， 如开路电压比例法 、 扰动观察法和电导增量法等等 [3]。 这里使用了开路电压比例法 ， 因为使用这种方法只需检测光伏电池的开路电压 ， 简单而且易于实现 ， 同时和 MPPT 有关的电路可以集成在一块芯片上 ， 从而缩小体积 。图 1 简易智能光伏充电器的结构框图3 设计方案的具体实现图 2 是控制电路的具体实现框图 。 智能选择开关可以由两个二极管轻易实现 。 恒压控制环中 ， 蓄电池电压采样值 Vo 和参考值 Voref 作为输入 ； MPPT控制环中 ， Buck 变流器输入电压采样值 V i 和参考值 Viref 作为输入 。 在充电的初始阶段 ， 蓄电池的电压低于浮充电压 ， Vo 低于 V oref， 恒压控制环的输出为高电平 。 二极管 D2 反偏 ， 恒压控制环不起作用 ， Buck变流器由 MPPT 控制环控制 。 当蓄电池电压达到浮充电压后 ， 恒压控制环有效 ， 取代之前的 MPPT 控制环 。 限流控制环由峰值电流模式控制芯片实现 ， 需要采样流过开关管的电流 。 为使电路工作稳定 ， 需要加斜坡补偿 。 所以无论选择哪个控制环 ， 充电电流都不会高于蓄电池的最大充电电流 。本文提出的充电器使用开路电压比例法实现MPPT。 光伏电池的光照强度特性曲线如图 3， 光伏电池的温度特性曲线如图 4。 显然 ， 光伏电池最大功率点的电压约为开路电压的 80% ， 而且这一个参数几乎不随温度和光照强度的变化而变化 。 因此在MPPT 控制环中 ， 使用开路电压的 80% 作为参考电压 Viref， 将光伏电池的工作电压稳定在开路电压的80%左右 ， 从而实现 MPPT。李威辰 ， 等 ： 一种便携式简易智能光伏充电器的设计第 1 期 57电 源 学 报 总第 33 期图 3 温度不变 ， 光照变化时 P-V 曲线图 4 光照不变 ， 温度变化时 P-V 曲线在开路电压比例法中 ， 如何获取光伏电池的开路电压参数很关键 。 图 5 是采样保持电路的原理框图 。 555 定时器周期的发出采样脉冲 。 当 555 定时器输出高电平时 ， 通过峰值电流模式控制芯片关断开关管 ， 此时 Buck 变流器的输入电压恰好是光伏电池的开路电压 。 经过短暂的采样时间后 ， 555 定时器输出低电平 ， 采样保持芯片 LF398 输出电压不变 ，为衰减后的光伏电池的开路电压 。 将此电压用电阻分压 ， 衰减到原来的 80% 作为 MPPT 控制环的参考电压 V iref。 此时电路正常工作 ， 将 Buck 的输入电压 ，即光伏电池的工作电压稳定在开路电压的 80%左右 ， 实现 MPPT。 采样的周期需要适当的选择 ， 过短的采样周期会造成太阳能的浪费 。 相反 ， 采样周期过长会导致得到的采样电压值下降 ， 降低采样的精度 。 本文的采样周期选择约 10 s， 采样的时间约100 ms。此外 ， Buck 变流器 ， 恒压控制环和限流控制环图 2 控制电路框图图 5 采样保持电路原理框图58的参数设计与传统的蓄电池充电电路一致 ， 在此不再赘述 。4 实验验证充电器电路的具体参数如表 1。 为了验证提出的设计方案的可行性 ， 制作了一台 60 W 光伏充电器样机 。 光伏电池的开路电压在 16.5 V 至 21 V 之间 ， 锂电池的电压在 9 V 至 12 V 之间 ， 容量为 10Ah。图 6 是采样开路电压的实验波形 。 其中 ， V oc 为光伏电池开路电压波形 ， V sample为采样得到的衰减过的光伏电池开路电压波形 ， Vpulse 为采样脉冲电压波形 。 从图中可以看出 ， 当光伏电池的开路电压 V oc 改变之后 ， 当采样脉冲 V pulse 由低电平变为高电平时 ，采样保持芯片 LF398 处于采样状态 ， 采样电压 Vsample可以跟踪到改变后的开路电压 。 随后采样脉冲 V pulse由高电平变为低电平 ， LF398 处于保持阶段 ， 采样电压 V sample 不再变化 。表 1 充电电路参数Buck 变流器中 ， 门极驱动信号和开关管的电压波形如图 7 所示 。 Buck 变流器的输入电压 Vin 和输出电压 V out 波形如图 8 所示 。 从这两幅图可以看出 ，充电电路工作良好 。图 6 采样开路电压实验波形图 7 门极驱动信号和开关管电压波形图 8 Buck 变流器输入电压和输出电压波形图 9 蓄电池电压和充电电流变化曲线在充电阶段 ， 蓄电池的电压和充电电流的变化曲 线 如 图 9 所 示 。 蓄 电 池 电 压 由 11.55 V 充 到11.82 V， 充电电流下降 。 最后 ， 蓄电池的电压稳定下来 ， 不再上升 ， 说明已经进入恒压充电模式 。光伏电池的工作电压 Vop 与开路电压 V oc 的比例 Vop /V o c 的变化曲线如图 10 所示 。 在充电的最初阶段 ， 该比例约为 82% ， 由此说明光伏电池工作在最大功率点附近 。 当电路运行在恒压充电模式时 ，该比例远大于 82% ， 说明光伏电池不再工作在最大功率点附近 ， 以此来保护蓄电池 。光伏电池电压 16.5～ 21V 锂电池电压 9～ 12V工作频率 100 kHz光伏电池最大输出功率60 W锂电池容量 10 Ah MOSFET IRFZ34N二极管 MBR1045T 输出电容 100 μ F滤波电感 46 μ H峰值电流模式控制芯片UC3843李威辰 ， 等 ： 一种便携式简易智能光伏充电器的设计第 1 期 59电 源 学 报 总第 33 期5 结语本文提出了一种便携式简易智能光伏充电器的设计方案 。 该方案的优点在于 ：（ 1） 由于控制电路仅由几片模拟芯片组成 ， 而主电路是一个 Buck 变流器 ， 所以充电器的电路很简单 ， 由此带来了成本低 、 体积小 、 重量轻的优点 。 这些优点都满足便携应用场合的需要 ；（ 2） 该充电器能够在外部温度和光照强度变化的情况下 ， 实现对光伏电池的最大功率点的跟踪 ， 从而充分利用了光伏电池 ， 避免了太阳能的浪费 ， 同时还保留了传统充电器的功能 ；（ 3） 该充电器易于集成 ， 可以进一步减小尺寸和体积 ， 提高功率密度 。 最后 ， 为了验证该方案的可行性和实用性 ， 制作了一台 60 W 的样机 。参考文献 ：[1] 肖鹏 , 陈国呈 , 吴春华 , 张翼 . 一种新型光伏独立发电系统拓扑及控制策略 [J]. 上海大学学报 （ 自然科学版 ） ,2008,14（ 6） : 633-636.[2] 曹成茂 , 马德贵 . 铅酸蓄电池充电电路设计研究 [J]. 安徽农业大学学报 , 1998, 25（ 2） : 200-202.[3] T Esram, P L Chapman. Comparison of Photovoltaic ArrayMaximum Power Point Tracking Techniques.IEEETransactionson Energy Conversion,2007， 22（ 2） :439-449.图 10 充电电压与比例系数 Vo p/Vo c 的变化曲线A Smart and Simple PV Charger for Portable ApplicationsLI Wei-chen, GUO Tang-tang, DENG Yan, HE Xiang-ning(College of Electrical Engineering, Zhejiang University, Hangzhou Zhejiang 310027, China)Abstract ： A smart and simple PV charger circuit is proposed for the portable applications, which is only composed of severalanalog chips to simplify the systemstructure. A three-mode charging solution is employed, which includes the maximum power pointtracking (MPPT) mode, the constant-voltage mode and the current -limited mode. Suitable charging mode can be achievedautomatically by the smart switch to improve the utilization of the PV array and to protect the battery. Furthermore, the proposedcharger can be integrated into an IC chip to reduce the size, which makes it more attractive in the portable applications. At last, a60W prototype is built and testedto verify the effectivenessof the proposedsolution.Keywords ： charger; PV; MPPT; battery60