带MPPT功能的三段式太阳能充电器研究与应用

中国科技期刊数据库 工业 B 2015 年 25 期 13 带 MPPT 功能的三段式太阳能充电器研究与应用王文娟 张 震国网安徽淮南市潘集区供电有限责任公司，安徽 淮南 232007 摘要： 介绍了一种基于 PIC 单片机的太阳能充电器，系统使用高性能的 PIC16F877 单片机作为控制电路的核心器件。通过其控制可以实现太阳能电池板对蓄电池的快充（带有 MPPT控制策略） 、过充（均压充电） 、浮充（涓流充电）三段式充电，优化充电策略，提高蓄电池使用寿命。关键词： MPPT；太阳能充电；策略中图分类号： V242.2 文献标识码： A 文章编号： 1671-5802(2015)25-0013-02 太阳能是适合当前社会发展的一种新能源，安全可靠无污染，受到越来越多的重视。如何提高太能能的转换效率，也成为亟待解决的问题。本文研究了一种太阳能充电控制原理。1 太阳能充电系统结构图 1 如图 1 所示，系统包含太阳能电池板， DC-DC变换电路（本文采用 BUCK电路） ，蓄电池，数据采集电路，单片机控制电路。太阳能电池板输出电压经过 DC－ DC变换电路后，接 到 蓄 电 池 从 而 完 成 对 蓄 电 池 的 充 电 。 本 设 计以 MICROCHIP 公司 PIC16F877 单片机为控制中心的软硬件的结合， 通过对蓄电池、 太阳能电池的电压、 电流进行采样，输入到单片机进行数模转换和算法处理后。单片机输出经光耦电路控制 MOSFET管。控制 MOSFET管导通的方式是脉冲宽度调制（ PWM） ，根据程序设计的载荷变化来调制 MOSFET管栅的偏置，达到实现开关功能。1.1 BUCK 电路BUCK电路中 D1为太阳能电池板的防反充二极管，只有当太阳能电池板输出电压高于蓄电池电压时， D1才导通， 防止夜间或阴雨天气等情况下蓄电池向太阳能电池板反向充电。 C1、 C2 为滤波电容。 Q为 IRF840 NMOOS型 MOSFET管，D2为续流二极管， 同时兼做蓄电池的防反接保护元件。 通过单片机控制 MOSFET管闭合时，太阳能电池通过 MOSFET、电感 L 给蓄电池充电， 并将部分电能储存在电感 L 和电容 C中，由于电感 L 的作用，在 MOS管接通后，电流并不能突变，由于电容的作用，电压也不能快速增大。一定时间后， MOS管断开，由于电感 L 的作用，电路中电流保持不变，通过续流二极管构成通路。通过控制 MOS管开通和关断的时间，即改变 PWM波形的占空比，就可以控制输出电压。1.2 数据采集电路由于要完成 MPPT（太阳能最大功率点跟踪） 等三段式充电，采样回路采用电阻分压的方式采样太阳能电池板输入电压，采用霍尔电流传感器采样电流，通过温度传感器采集温度。为了完成对蓄电池的三段式充电方式，单片机通过电阻分压法采集蓄电池电压，上述信号采集后接入单片机的 A/D转换器。1.3 单片机控制电路控制系统模块采用 PIC16F877 单片机，该芯片外围模块多，功能强大，内嵌 8 个 10 位数字量精度的 AD转换器，配置 5 个端口 33 个双向输入输出引脚，配置有 2 个可以实现脉冲调制波形输出 CCP模块，具有良好的扩展性。所述单片机电源模块取自蓄电池电压， 经过 LM317稳压电路输出电压，该方法不但提供了控制器的电源，还减小设备的体积，降低了设备成本。1.4 门控驱动电路PIC16F877 的 PWM口输出， 经过 TLP250（图一中 MOSFET门控驱动电路） 光耦、 放大整形之后驱动功率 MOSFET（ IFR840）实现 DC/DC电路的通断。2 充电策略与算法2.1 三段式充电策略第一阶段实现蓄电池快充，蓄电池能够接受最大功率时，采用太阳能最大功率跟踪点（ MPPT）控制方式，当蓄电池的端电压达到转换门限制后进入过充阶段；过充阶段给蓄电池一个较高的恒定电压，同时检测充电电流，当充电电流低于转换门限制时，充电电路转换到浮充阶段；浮充阶段，防止蓄电池过充，采用比正常充电更低的电压进行充电，同时进行温度补偿。图中第一个判据表示是否具备 MPPT控制条件，第二个判据表示是否具备均压充电条件，第三个判据表示是否具备浮充充电条件。图二实现该功能的软件设计流程图。（下转第 19 页）太阳能电池板太阳能电池板电压电流采样回路A/D A/D蓄电池电压采样回路PWMPIC16F877gsD1D2C1 C2MOSFET门控驱动电路免维护蓄电池太阳能充电控制器L中国科技期刊数据库 工业 B 2015 年 25 期 19 性采伐责任制度简单来讲就是采伐者负有新森林的种植责任，对于每个采伐的森林区域落实责任管理，对采伐流程和手续进行严格的把关和监察。大力鼓励农林经济合作组织的发展和壮大，在具体工作过程中坚持工作方法的创新和理论与实践的结合，比如设定采伐标准，对于采伐面积、采伐林木种类、采伐时间间隔等作出详细规定，并在开采前收取开采企业或个人一定的采伐保证金，依靠外界制度强行规范开采者的开采行为。3.4 建立完善的森林生态补偿体系森林资源在生态环境的调整中有重要作用，然而在生产中，由于人们会过于追求森林资源的经济利益，却极少会重视其生态效益，导致森林资源没办法发挥出其所具备的功能，生态效益也无法实现。要促进林业的可持续发展，就要建立相对健全的森林生态补偿体制和地区财政转移支付制度，保证森林在发挥经济作用的同时，又能对生态调整功能具备足够的保障。建立一套完善的森林生态补偿体系，能形成市场化的森林资源生产体系，从而不但可以约束企业对林业资源的开发，又能够有效地实现林业的可持续发展。3.5 利用科技手段实现林业的可持续发展可持续发展的根本宗旨包括两方面的内容：第一个方面，确保林业的健康发展；第二个方面，不造成资源与环境的破坏，依靠科技手段可以有效的实现林业的可持续发展，从根源上改变以环境与资源为代价去谋取经济效益的手段，对于林业发展来说，可以通过创新林业科技体制，改革林业科技体制基础与应用技术研究等几个方面，实现林业的可持续发展。4 林业可持续发展的研究展望分析随着人类对林业相关产品以及环境所提供的功能需求逐渐增加，林业的可持续发展也将不再局限于理论研究过程中。从理论研究的展望方面，林业中的森林保护、经营与管理、生产功能、资源调查等各方面的研究将更加深入，或从生态控制论分析理论、能值分析法以及自然资产评价方法等的应用将会对人类生产生活中的对生态环境造成的影响进行合理的分析与评价，对林业的可持续发展过程中的关键问题具有重要的参考意义。而从实践方面，我国林业可持续发展中开始推行相应的战略选择、战略目标以及对策，使其能够融入整体可持续发展的规划中。以目前较为先进的信息处理技术“ 3S”技术为典型代表，其在林业可持续发展中的应用将成为实际决策或指导未来发展趋势的重要手段。5 结束语随着人们对生态环境重要性的认识，对林业管理工作的关注也不断提高。做好林业管理工作，实现林业的可持续发展，是我国当前经济发展的必然要求，本文从当前我国林业管理工作的现状出发，提出了做好林业管理，实现林业可持续发展的措施，希望为我国林业管理工作的不断完善提供助益。参考文献[1] 刘建平 . 我国森林资源现状及林业可持续发展探析 [J].黑龙江科学， 2015（ 2） . [2] 林剑峰 . 试论林业可持续发展及其政策保障体系 [J]. 北京林业大学学报， 2001（ 05） .（上接第 13 页）图 2 图 3 2.2 MPPT 控制策略PIC16F877 将采样后的电压、电流、温度等信号通过单片机自身 AD转换处理输出一个脉宽调制信号控制 DC-DC升压电路来改变太阳能电池的等效负载，实现了对 DC-DC变换电路的控制， 从而达到了最大功率输出。 MPPT控制方式采用干扰观测法，原则是电压的变化始终让太阳能输出功率朝大的方向改变。因此首先让太阳能电池以某个电压输出，采集电压后计算出他的功率 Pi ，再与前一刻输出的功率 Pj 进行比较，若 PiPj ，则使U=U+Δ U。按照以上的原则再测、再比、再修改脉冲宽度，逐次逼近太阳能电池的最大功率点。图 3 为 MPPT控制策略的流程图3 程序实现通过在 MICROCHIP 公司的 MPLAB— IDE 集成环境中进行软硬件调试，完成电压电流信号采集、处理，实现对蓄电池的充电控制。主程序流程图如图 2 所示。该太阳能充电控制系统电路结构简单，可扩展性能好，实现对蓄电池的三段式充电控制，不仅充分提高太阳能电池板的效率，而且极大延长蓄电池使用寿命，具有一定的推广应用价值。参考文献[1] 李荣正，刘启中，陈学军 .PIC 单片机原理及应用 [M]. 北京：北京航空航天大学出版社， 2006. [2] 彭 芳，卢满怀 . 基于 PIC 单片机的太阳能路灯智能控制器 [J]. 微型机与应用， 2009（ 20） . [3] 黄海宏， 黄长杰， 王海欣 .24V/5A 太阳能控制器设计 [J].电源技术应用， 2006（ 5） ： 30-32.