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基于脈沖寬度調(diào)制技術(shù)的太陽(yáng)能充電控制系統(tǒng)

發(fā)布時(shí)間:2011-08-19

中心議題:

  • 太陽(yáng)能充電控制器原理
  • 太陽(yáng)能充電電路設(shè)計(jì)
  • 脈寬調(diào)制充電子程序流程


蓄電池優(yōu)良的特性和較長(zhǎng)的使用壽命在一定程度上取決于正確的充放電,錯(cuò)誤的充電會(huì)使蓄電池壽命縮短、性能變差。合適的充電電流和選擇充電方法非常重要。

蓄電池的充電方法很多,例如恒流、恒壓、最大功率跟蹤充電等。根據(jù)蓄電池的不同應(yīng)用場(chǎng)合,可選擇相應(yīng)的充電方式。

在光伏利用系統(tǒng)中,太陽(yáng)電池的輸出特性與當(dāng)時(shí)日照、太陽(yáng)電池表面溫度以及負(fù)載有關(guān),且具有非線性特性,蓄電池在充電過(guò)程中其端電壓也在不斷發(fā)生變化。

在獨(dú)立太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)中,為了降低成本、提高效率和可靠性,既要使光伏電池輸出最大功率,又要使蓄電池正確充放電,同時(shí)還要最大限度地利用所發(fā)電能。在目前的光伏系統(tǒng)中,這三者的實(shí)現(xiàn)存在矛盾,通常只能兼顧一個(gè)方面,例如只追蹤光伏電池最大功率點(diǎn)將會(huì)放棄蓄電池的最佳充放電,從而限制了系統(tǒng)的效率和壽命。因此我們?cè)谶x擇充電方法時(shí)應(yīng)綜合考慮各種因素、使用場(chǎng)合等來(lái)設(shè)計(jì)性能優(yōu)良的充電控制器。

1 充電控制器原理

本文所設(shè)計(jì)的充電控制器采用了斬波式PWM原理,分兩個(gè)階段,第一階段為快充階段,第二階段為PWM 階段(慢充階段)。

圖1所示電路采用斬波式PWM 充電原理,檢測(cè)蓄電池的充電端電壓,將檢測(cè)得到的蓄電池端電壓與給定點(diǎn)電壓比較,若小于給定電壓,斬波器全通,迅速給蓄電池充電; 當(dāng)蓄電池的電壓大于給定電壓時(shí),則根據(jù)比例調(diào)整功率管的占空比,充電進(jìn)入慢充階段,改善充電特性,防止過(guò)充。

2 充電電路的設(shè)計(jì)

充電控制的開關(guān)管(斬波管)選用POWER MOFFETIRF4905。此管是P 溝道的MOFFET 管, 具有小導(dǎo)通電阻, RON=20mΩ,最大通態(tài)電流ID=74A (條件溫度25℃, VGS=-10V),開關(guān)速度快,具有很好的開關(guān)性能。當(dāng)此管柵源電壓VGS<-8.0V 時(shí),此管作為開關(guān)管就有很好的開關(guān)性能。又因?yàn)榇斯転镻 溝道,很容易把基準(zhǔn)電壓選在一個(gè)點(diǎn)上, 則系統(tǒng)的可靠性會(huì)得到較大提高。
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(1)IRF4905 MOFFET 管的驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)
在圖2所示電路原理圖中,MBR2060 是肖特基二極管,其中正向?qū)▔航禐?.3V,最大導(dǎo)通電流為20A, 完全滿足系統(tǒng)要求。此二極管的作用是防反充,也就是當(dāng)蓄電池電壓高于太陽(yáng)電池電壓時(shí),二極管截止,防止了蓄電池向太陽(yáng)電池反充電。

D52 是一個(gè)防止蓄電池正負(fù)極性反接的保護(hù)二極管,即當(dāng)蓄電池反接時(shí),D52正向?qū)?,電流很大,熔斷絲即可燒斷,電路斷開,從而保護(hù)了控制器和蓄電池,提高了系統(tǒng)的可靠性。

(2)充電過(guò)程
單片機(jī)(P2.0)給出充電的控制信號(hào),即P2.0=1,NPN 型S9013 的三極管導(dǎo)通,由于此三極管工作于射極輸出狀態(tài), 其發(fā)射極為高電平,Q54 (2SD667)NPN 三極管導(dǎo)通, 由于穩(wěn)壓管D50的作用, 使得IRF4905管的柵源電壓鉗位在-10V,IRF4905 管導(dǎo)通, 太陽(yáng)電池向蓄電池充電。反之,前兩極三極管均截止VGS=0V,IRF4905 管斷開,太陽(yáng)電池不能向蓄電池充電。

3 脈寬調(diào)制充電子程序流程

脈寬調(diào)制子程序完成太陽(yáng)電池向蓄電池以脈寬調(diào)制的方式充電,控制器根據(jù)蓄電池的荷電狀態(tài)來(lái)控制白天太陽(yáng)電池向蓄電池充電,其目的是為了改善充電效果和保護(hù)蓄電池,防止蓄電池過(guò)充。

具體方案是,當(dāng)檢測(cè)到蓄電池的電壓小于13.5V時(shí),開關(guān)管始終接通,即采取全通充電方式,如果檢測(cè)到蓄電池電壓大于13.5V 并小于14.4V 時(shí)采取脈寬調(diào)制方式充電,隨著蓄電池電壓的增加,脈寬不斷的變窄,直到蓄電池端電壓上升為14.4V 時(shí),脈寬檢校為0,停止充電。脈寬調(diào)制方式由軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)。

我們?nèi)∶}沖的周期為2ms,MOS管的開關(guān)頻率為500Hz。

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當(dāng)蓄電池的電壓Vbat=14.05V時(shí), 其脈寬波形如圖4所示。

當(dāng)蓄電池的電壓Vbat=14.22V 時(shí),其脈寬波形如圖5所示。

4 結(jié)論

對(duì)所設(shè)計(jì)的充電電路進(jìn)行了充電實(shí)驗(yàn), 驗(yàn)證了電路的預(yù)設(shè)功能。系統(tǒng)能夠有效判斷蓄電池的充電狀態(tài),并采取相應(yīng)的充電方式,達(dá)到延長(zhǎng)蓄電池使用壽命的目的。

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